基于PWM降压转换器AP3003的车载充电器

admin

随着电子技术的不断发展，移动多媒体设备正逐渐成为人们生活中不可缺少的工具，与这些产品相对应的充电器设计也越来越受到关注。按照充电器的使用场合，可以分成家用型充电器和车载充电器，一般手机自带的充电器多数是家用型，即交流输入型；车载充电器是一种直流输入型的充电器，它的出现使移动设备的充电场合更加多样化。很多公司都生产了可实现车载充电器方案的控制芯片，比如BCD公司的AZ34063A/C、AZ494B/D和AP3003等。

       AZ34063A/C方案的优点是成本较低，缺点是限流点不准确，过热问题较为普遍；AZ494B/D方案的优点是设计灵活性较强，缺点是外围器件选择较复杂，需要选择合适的功率管、驱动电路，同时需要进行环路补偿设计。AP3003方案的优点是外围器件较少，设计简单，控制精确，虽然成本比AZ34063A/C方案较高，但是其性价比却是三个方案中最高的。

       AP3003系列一共有四个电压版本：3.3V、5V、12V输出电压固定版本和ADJ输出电压可调版本。芯片内部集成了功率管、驱动电路、控制电路和环路补偿，大大简化了车载充电器系统的设计；芯片内部高达150kHz的固定开关频率有效地缩减了外部器件的体积（主要是滤波电感和滤波电容的体积），从而节约了外部空间；最大3A的电流能力使AP3003可以满足大多数大容量电池充电的场合；同时，芯片内部还设计了很多保护电路，比如限流保护和过温保护，这使得芯片在车载充电器系统中应用时更加安全可靠。

车载充电器系统技术指标及设计框图

       车载充电器的输入电压12～36V，输出电压5.1±0.1V，输出电流750 ±50mA。充电器在给电池充电时，如果充电电流过大，可能会导致电池发热、寿命减短、甚至损坏，因此需要恒流（CC）功能，实现对输出电流的精确控制。为了保证充电器不因为短路时输入功率过大而烧毁，则需要短路保护功能。

       用AP3003设计出的车载充电器，其原理如图1所示，包括三大部分：AP3003构建的基本降压电路、恒流恒压（CC/CV）电路和短路保护电路。



图1 车载充电器系统设计框图

基本降压电路

       这部分电路是整个车载充电器系统的核心部分，它为电池在充电过程中提供必须的电压和电流。设计电路如图2所示，分压电阻RA和RB用来设定输出电压，CFF电容可以增加环路的相位裕度，提高系统稳定性，推荐取值范围为10～33nF。



图2 AP3003构建的基本降压电路

恒流恒压（CC/CV）电路

        恒流恒压电路利用了AS358做电压、电流信号的采样和放大。其电路如图3所示，分为两部分，一部分是恒流环：采样电阻RS采样输出电流IO，经过AS358_1进行放大，放大倍数由R2/R1决定（R1=R3，R2=R4），放大后的信号通过二极管D1送到AP3003的FB管脚；另一部分是恒压环：电阻RA和RB采样输出电压VO，经过AS358_2和二极管D2送到AP3003的FB管脚 。根据，可以得到恒流点和恒压点的计算公式(1)和(2)：


(1)


        其中，VD1、VD2分别是二极管D1和D2的正向导通电压，VREF是AP3003内部的基准电压。根据设计要求可以选择合适的Rs、R2、R1、RA、RB和二极管，得到恒流点为750mA，恒压点为5V的车载充电器系统，实验测试结果如图4所示。



图4 V-I特性曲线

短路保护电路

         短路保护电路利用一个晶体管来采样输出电压，根据输出电压在短路前后的状态变化判断是否发生短路，从而实现保护功能（见图5）。为了方便示意短路与否，可以加入一个发光二极管做指示灯（见图6），短路发生后，放光二极管D3亮，消除短路后，重新启动电源，电路可以恢复正常工作。


          电路工作原理如下：短路发生后，输出电压经过RA和RB采样得到电压值无法维持三极管Q1导通，于是Q1关断，电容C1被充电，连接AP3003 EN管脚的VEN随着时间的推移电压不断升高，表达式如(E-3)所示，VEN一旦高于EN 管脚的阈值电压，整个系统停止工作，实现了短路保护的功能。
(E-3)


       短路保护设计需要注意两个方面，第一要避免短路保护电路影响系统启动，R1、C1的选择要保证短路保护开始动作的时间远大于系统启动时间；第二是要选择合适的R3，以保证R3的加入不会影响RA和RB所设定的输出电压值。