基于PWM降壓轉換器AP3003的車載充電器

隨著電子技術的不斷發展，移動多媒體設備正逐漸成為人們生活中不可缺少的工具，與這些產品相對應的充電器設計也越來越受到關注。按照充電器的使用場合，可以分成家用型充電器和車載充電器，一般手機自帶的充電器多數是家用型，即交流輸入型；車載充電器是一種直流輸入型的充電器，它的出現使移動設備的充電場合更加多樣化。很多公司都生產了可實現車載充電器方案的控制芯片，比如BCD公司的AZ34063A/C、AZ494B/D和AP3003等。

AZ34063A/C方案的優點是成本較低，缺點是限流點不準確，過熱問題較為普遍；AZ494B/D方案的優點是設計靈活性較強，缺點是外圍器件選擇較復雜，需要選擇合適的功率管、驅動電路，同時需要進行環路補償設計。AP3003方案的優點是外圍器件較少，設計簡單，控制精確，雖然成本比AZ34063A/C方案較高，但是其性價比卻是三個方案中最高的。

AP3003系列一共有四個電壓版本：3.3V、5V、12V輸出電壓固定版本和ADJ輸出電壓可調版本。芯片內部集成了功率管、驅動電路、控制電路和環路補償，大大簡化了車載充電器系統的設計；芯片內部高達150kHz的固定開關頻率有效地縮減了外部器件的體積（主要是濾波電感和濾波電容的體積），從而節約了外部空間；最大3A的電流能力使AP3003可以滿足大多數大容量電池充電的場合；同時，芯片內部還設計了很多保護電路，比如限流保護和過溫保護，這使得芯片在車載充電器系統中應用時更加安全可靠。

車載充電器系統技術指標及設計框圖

車載充電器的輸入電壓12～36V，輸出電壓5.10.1V，輸出電流750 50mA。充電器在給電池充電時，如果充電電流過大，可能會導致電池發熱、壽命減短、甚至損壞，因此需要恒流（CC）功能，實現對輸出電流的精確控制。為了保證充電器不因為短路時輸入功率過大而燒毀，則需要短路保護功能。

用AP3003設計出的車載充電器，其原理如圖1所示，包括三大部分：AP3003構建的基本降壓電路、恒流恒壓（CC/CV）電路和短路保護電路。

圖1 車載充電器系統設計框圖

基本降壓電路

這部分電路是整個車載充電器系統的核心部分，它為電池在充電過程中提供必須的電壓和電流。設計電路如圖2所示，分壓電阻RA和RB用來設定輸出電壓，CFF電容可以增加環路的相位裕度，提高系統穩定性，推薦取值范圍為10～33nF。

圖2 AP3003構建的基本降壓電路

恒流恒壓（CC/CV）電路

恒流恒壓電路利用了AS358做電壓、電流信號的采樣和放大。其電路如圖3所示，分為兩部分，一部分是恒流環：采樣電阻R_S采樣輸出電流I_O，經過AS358_1進行放大，放大倍數由R2/R1決定（R1=R3，R2=R4），放大后的信號通過二極管D1送到AP3003的FB管腳；另一部分是恒壓環：電阻RA和RB采樣輸出電壓V_O，經過AS358_2和二極管D2送到AP3003的FB管腳 。根據，可以得到恒流點和恒壓點的計算公式(1)和(2)：

(1)

(2)

圖3 利用AS358設計的恒流恒壓（CC/CV）電路

其中，V_D1、V_D2分別是二極管D1和D2的正向導通電壓，V_REF是AP3003內部的基準電壓。根據設計要求可以選擇合適的Rs、R2、R1、RA、RB和二極管，得到恒流點為750mA，恒壓點為5V的車載充電器系統，實驗測試結果如圖4所示。

圖4 V-I特性曲線

　　
短路保護電路

短路保護電路利用一個晶體管來采樣輸出電壓，根據輸出電壓在短路前后的狀態變化判斷是否發生短路，從而實現保護功能（見圖5）。為了方便示意短路與否，可以加入一個發光二極管做指示燈（見圖6），短路發生后，放光二極管D3亮，消除短路后，重新啟動電源，電路可以恢復正常工作。

圖5 短路保護電路

圖6 含指示燈的短路保護電路

電路工作原理如下：短路發生后，輸出電壓經過RA和RB采樣得到電壓值無法維持三極管Q1導通，于是Q1關斷，電容C1被充電，連接AP3003 EN管腳的V_EN隨著時間的推移電壓不斷升高，表達式如(E-3)所示，V_EN一旦高于EN 管腳的閾值電壓，整個系統停止工作，實現了短路保護的功能。

(3)

短路保護設計需要注意兩個方面，第一要避免短路保護電路影響系統啟動，R1、C1的選擇要保證短路保護開始動作的時間遠大于系統啟動時間；第二是要選擇合適的R3，以保證R3的加入不會影響RA和RB所設定的輸出電壓值。