新一代高效率移動電源設(shè)計

隨著智能移動設(shè)備性能的不斷提升，電池越來越不堪重負(fù)，移動電源產(chǎn)品隨之發(fā)展壯大，此外，用戶需求的提升也要求產(chǎn)品朝著靈活設(shè)計的方向發(fā)展。目前市場上的鋰電池充電管理IC 大多為1A線性充電，其缺點表現(xiàn)為：1A的線性充電溫度很高、片上熱阻損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致線性電池充電管理IC的電流很難做到2A，即使通過外擴MOS做到 2A，溫度也比較高，而且轉(zhuǎn)化效率在70%左右，因此，開關(guān)充電就顯得非常必要。目前市場上對鋰電池充電管理IC的需求主要是：2A~3A大電流集成MOS、開關(guān)式效率達(dá)到90%以上，以及低溫充電管理IC。另外，多功能的集成芯片越來越受歡迎，包括開關(guān)充電管理、電池電量檢測顯示、同步升壓輸出限流等功能集成于單一芯片之上成為當(dāng)今的發(fā)展趨勢。

　　集成多功能，低成本更可靠

　　“三合一”、“五合一”芯片受到市場歡迎。ZS6366即是一款應(yīng)用于移動電源，集成了開關(guān)鋰電池充電管理、同步升壓輸出限流、電池電量檢測顯示、LED手電筒及按鍵控制為一體的便攜式電源管理IC。它以開關(guān)方式進(jìn)行充電，集成了包括涓流充電、恒流充電和恒壓充電全過程的充電方式，浮充電壓精度在全溫度范圍可達(dá)±1%，并且具有充電電流溫度低，充電效率高等優(yōu)點，配合適當(dāng)?shù)耐鈬骷梢赃_(dá)到2A甚至更高的充電電流。

　　在充電狀態(tài)下，如果輸出USB同時接了負(fù)載，ZS6366的動態(tài)路徑調(diào)整功能會智能分配輸入電流優(yōu)先提供給負(fù)載，如果負(fù)載電流增大，則會自動關(guān)閉充電，待負(fù)載充電電流逐漸減小到一定值時再打開電池充電，有效地限制了輸入電流，防止損壞供電的適配器或者USB。同時也可以通過按鍵切換充電或放電。

　　ZS6366的DC-DC升壓可達(dá)到±1%的精度，可以提供高達(dá)90%以上的升壓轉(zhuǎn)換效率，同時具有精確的升壓限流功能。ZS6366 配置了4個LED恒流驅(qū)動端口，智能顯示電池電量，芯片內(nèi)置邏輯鎖定功能，防止電量指示的狀態(tài)不穩(wěn)，同時集成了電池真實電壓追蹤技術(shù)，跟蹤電芯內(nèi)部真實電量，防止充放電造成的電壓偏差。另外，ZS6366具有多重保護(hù)設(shè)計，包括負(fù)載過流保護(hù)、短路保護(hù)、軟啟動保護(hù)等，同時芯片端口設(shè)計了高性能的ESD保護(hù)電路，使得該款芯片具有極高的可靠性。電池放電在2.9V時關(guān)斷，有效保護(hù)和延長電池充放次數(shù)和壽命。 基于ZS6366的應(yīng)用實例

　　ZS6366采用同步降壓方式來對鋰電池進(jìn)行充電，此做法的好處是可以將轉(zhuǎn)換效率提升至90%以上，并且能很好地規(guī)避線性管理IC的溫度高、電流無法做大的問題。而在充電功能、升壓功能及保護(hù)功能上都做了非常好的優(yōu)化，在做到快速充電的同時，提高了可靠性，降低了成本。圖1為基于ZS6366的典型應(yīng)用方案的系統(tǒng)框圖，圖2為充電過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意，圖3是一個典型應(yīng)用的電路圖。

　　圖1：ZS6366芯片系統(tǒng)框圖

　　圖2：狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

1 開關(guān)充電

　　在充電過程中，ZS6366用開關(guān)方式對電池進(jìn)行涓流/恒流/恒壓三段式充電。當(dāng)電池電壓低于3V時進(jìn)行涓流充電;當(dāng)電池電壓高于3V時進(jìn)行恒流充電;當(dāng)電池電壓接近4.2V時進(jìn)行恒壓充電，此時充電電流開始逐漸減小，當(dāng)電流減小到恒流充電電流的1/10時，4個LED燈全部常亮，指示電池已經(jīng)飽和。這時，芯片可選擇電流進(jìn)一步減小到零，維持浮充電壓;或者終止充電，等待電池電壓降低到一定電壓（VRECHG）時進(jìn)行復(fù)充（Recharge）。

　　充電時，對電池充電的電流大小由芯片的SNS引腳和BAT引腳之間的采樣電阻RS來設(shè)定。恒流充電電流ICharge由下式?jīng)Q定：

　　涓流充電電流為ICharge的1/8，充滿判斷電流為ICharge的1/10

　　電流的瞬時增大會對電池造成傷害，當(dāng)電池直接進(jìn)入恒流充電時，ZS6366會控制充電電流逐漸增大到設(shè)定值，避免了瞬間大電流沖擊引起的各種問題。

　　另外，ZS6366具有動態(tài)路徑調(diào)整功能，保證了USB端負(fù)載的優(yōu)先供電。如果充電過程中，輸出USB同時帶有負(fù)載，ZS6366會控制系統(tǒng)給電池充電同時供電給負(fù)載;如果VCCS》3.7mV，ZS6366會控制系統(tǒng)優(yōu)先供電給負(fù)載，同時逐漸減小充電電流直到不充電，讓全部輸入電流供給負(fù)載，同時達(dá)到了輸入限流的效果，如果VCCS《3.2mV，芯片會控制恢復(fù)充電。

　　2. 同步升壓

　　此方案具有同步升壓功能，可將單節(jié)鋰電池2.9V ~4.2V之間的電壓升壓到5V輸出，給負(fù)載供電。電池電壓低于2.9V時，芯片系統(tǒng)將判斷為電池電量不足，停止升壓。當(dāng)VIN電壓低于3.3V時，系統(tǒng)將判斷為電源適配器掉電，并啟動升壓電路。

　　升壓時，ZS6366通過CS和CSN檢測負(fù)載電流，如果負(fù)載電流逐漸增加，到達(dá)限流值時輸出電壓會下降，直到不升壓（同步整流PMOS常開）。限流值的計算：

　　同時要滿足：

　　直觀地講，充電電流和升壓電流是相關(guān)的，如果充電電流設(shè)定為1A，在電池電壓最低的情況下升壓，升壓時最多能輸出1A左右的電流。如果想增大升壓輸出電流，則充電電流也要相應(yīng)增加。

　　另外，ZS6366還具有放電過流保護(hù)和短路保護(hù)功能，負(fù)載電流超過限流電流繼續(xù)增大，直至CS與CSN兩端的壓差超過60mV，且維持時間超過1s，則系統(tǒng)啟動負(fù)載過流保護(hù)功能，芯片關(guān)閉USB的輸出通路，進(jìn)入待機狀態(tài)。 3 保護(hù)

　　此方案擁有多種保護(hù)功能，可保障器件的正常工作。保護(hù)功能包括：充電USB短路保護(hù)、升壓USB短路保護(hù)、二級短路保護(hù)和USB過壓保護(hù)等功能。

　　充電USB短路保護(hù)：當(dāng)充電時USB發(fā)生短路，芯片會關(guān)閉USB輸出，熄滅電量指示燈，同時繼續(xù)為電池充電;短路解除后，短按按鍵可以解除短路保護(hù)狀態(tài)，USB輸出打開，電量指示燈亮起，16s后恢復(fù)充電。

　　升壓USB短路保護(hù)：當(dāng)電池升壓時，USB發(fā)生短路，芯片會關(guān)閉升壓，進(jìn)入待機狀態(tài);短按按鍵可以解除短路保護(hù)狀態(tài)。

　　二級短路保護(hù)：在某些極限狀態(tài)下發(fā)生USB短路，芯片檢測不到短路狀態(tài)，但仍然可以關(guān)閉USB輸出，短路解除后會自動恢復(fù)原來狀態(tài)，保護(hù)器件不被損壞，電池端也不會出現(xiàn)大電流，保護(hù)IC不會保護(hù)。

　　USB過壓保護(hù)：輸入電壓過高，超過6V時，芯片會控制關(guān)閉USB輸出，防止接在USB的便攜設(shè)備因為過壓而損壞，指示燈閃爍，提示輸入電壓異常，充電仍然正常進(jìn)行。輸入電壓正常后狀態(tài)解除。

　　4. 系統(tǒng)其他控制功能

　　當(dāng)一個燈以4Hz頻率開始閃爍時，表示系統(tǒng)內(nèi)部電池電量不足（即電池電壓已經(jīng)低于2.9V），需要充電，這時升壓系統(tǒng)已經(jīng)關(guān)閉，LED燈閃爍4s后，系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)。

　　在無電源的情況下，短按按鍵，啟動5V升壓系統(tǒng)給負(fù)載供電，同時LED燈顯示當(dāng)前電量，維持時間約為8秒鐘，之后LED燈自動關(guān)閉，如果在8秒鐘內(nèi)燈沒有熄滅的時候再一次短按手動開關(guān)，則燈會馬上關(guān)閉。

　　圖3：典型應(yīng)用電路圖。

　　設(shè)計的注意事項

　　在設(shè)計過程中，電阻、電容、電感等元器件的選擇對于系統(tǒng)的正常工作起著非常重要的作用。比如電阻，RS和RCS的精度影響采樣電流的精度，因此推薦使用1%精度的電阻;對于封裝，請根據(jù)電阻實際的功率計算，也可以用兩個并聯(lián)的形式分散熱量。例如：RS在升壓時流過電流最大為2A，則它最大功耗是2A×2A×0.04Ω=0.16W

　　RFB1和RFB2的精度影響輸出電壓的精度，因此推薦使用1%精度的電阻，如擔(dān)心虛焊的問題也可考慮RFB1采樣兩個電阻并聯(lián)。

　　總結(jié)

　　ZS6366運用了比較新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，升壓和降壓用同一個電感，不但充電可以做到同步，還支持同步升壓給手機充電，所以在1A~2A輸入充電時效率和溫度表現(xiàn)都很好，同時還集成了運算放大器，可實現(xiàn)精準(zhǔn)電量指示，并提供過充過放、過壓、過流、短路、限流保護(hù)等功能。