基于bqTINY-II的便攜式電子心音檢測(cè)儀電源管理模塊設(shè)計(jì)

    0    引言

    便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展,各種電池的用量大增,并且開發(fā)出許多新型電池。近年來開發(fā)的高能量密度的鋰離子電池具有體積小、容量大、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等特性,非常適合便攜式系統(tǒng)的應(yīng)用。

    在便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中,其電源管理模塊的設(shè)計(jì)是十分重要的,因?yàn)檫@關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、持續(xù)性及快速恢復(fù)的能力問題。尤其是在使用鋰電池作為系統(tǒng)電源時(shí),其電源管理模塊的作用更加突現(xiàn)。本文針對(duì)鋰電池充電的特點(diǎn),介紹了一種基于bqTINY-II的便攜式電子心音檢測(cè)儀電源管理模塊解決方案。

    1    鋰離子電池充電過程

    鋰系列（鋰離子或鋰聚合物）電池的充電過程分為3個(gè)階段,如圖1所示。

圖1    三階段充電流程圖

    第一階段為檢驗(yàn)和預(yù)充電階段。該階段主要的任務(wù)是：驗(yàn)證電池的溫度并將其調(diào)整到適合快速充電的范圍內(nèi);檢測(cè)電池電壓并將其提高到一個(gè)安全水平。溫度檢驗(yàn)和預(yù)充電提高了電池的安全性和使用壽命。

    第二階段將以“1C”或略低的電流進(jìn)行恒流充電。一旦電池達(dá)到它的電壓限幅4.1V或4.2V,則已完成對(duì)大約70％的容量的充電,并進(jìn)入第三階段充電。

    第三階段是對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電,為了使安全性和電量達(dá)到最大化,需要將充電電壓穩(wěn)定在±1％的精度內(nèi)。在恒壓充電階段,充電電流逐漸變小,并且在大多數(shù)情況下,當(dāng)這個(gè)充電電流接近快速充電電流的10％,即C/10時(shí),充電過程就結(jié)束了。

    2    基于bqTINY-II的電源管理模塊

    bqTINY-II是TI推出的電池充電管理芯片,它為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來一套集成解決方案。該芯片將自動(dòng)電源選擇、功率FET和電流傳感器、高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示和充電中止等功能集為一體。它的一個(gè)重要特點(diǎn)是其可以選擇兩種充電模式,支持目前流行的USB接口充電。

    bqTINY-II支持三階段的充電程序如圖1所示,包括預(yù)充電調(diào)節(jié)階段、恒流充電階段以及許多設(shè)備制造商都要求的高精準(zhǔn)度恒壓充電階段。bqTINY-II的功耗極低,當(dāng)系統(tǒng)未連接至電源時(shí),bqTINY-II就會(huì)進(jìn)入低功耗休眠模式,它此時(shí)只會(huì)從電池汲取非常少的電量。

    2.1    示意電路圖

    該方案的示意電路如圖2所示,該原理圖以bq24020芯片為核心,配以必要的外圍元器件。由于bq24020芯片的高集成化,使得所需的外圍元器件大大減小,只需要3顆濾波電容和1顆用于設(shè)置AC預(yù)充率的電阻即可。

圖2    bq24020的電源管理示意圖

    圖2所示電源管理模塊有4個(gè)輸入接口,4個(gè)輸出接口和一個(gè)公共地。其中4個(gè)輸入接口為：交流適配器AC接口、USB取電接口、充電使能信號(hào)CE、USB充電點(diǎn)設(shè)置;4個(gè)輸出接口為：電源輸出、電源溫度信號(hào)輸出、2個(gè)充電狀態(tài)指示輸出。

    面向應(yīng)用系統(tǒng)的6個(gè)接口的參數(shù)說明如下：

    VCC為電池電壓輸出口,本電源模塊通過該口輸出電流,向應(yīng)用系統(tǒng)供電。

    TS為電源溫度狀態(tài)信號(hào)輸出,該信號(hào)由電池艙內(nèi)的10kΩ的負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生。應(yīng)用系統(tǒng)可以通過將該接口的電壓與電源地相比較來判斷電源目前溫度狀況。

    CE為bqTINY-II芯片的使能控制信號(hào),該信號(hào)為低電平時(shí)充電電路工作,高電平時(shí)芯片停止工作并進(jìn)入低功耗休眠模式。

    ISET2接口用于控制USB充電時(shí)的參數(shù)選擇。由于USB接口分為大功率（500mA）和小功率（100mA）兩種,因此系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別完成后系統(tǒng)可以送低電平信號(hào)到該接口,使得芯片選擇100mA模式進(jìn)行充電或者送高電平選擇500mA。如果系統(tǒng)不想使用USB模式進(jìn)行充電,可以將該接口置為高阻態(tài)。

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sp;   STAT1和STAT2為充電狀態(tài)顯示信號(hào)輸出,該信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED進(jìn)行狀態(tài)指示或送至主處理器供其作進(jìn)一步處理。

    2.2    功能描述

    1）三階段充電自動(dòng)控制功能

    檢測(cè)電池的電壓,如果低于預(yù)定閾值電壓,就要先進(jìn)行涓流充電,即電池預(yù)充階段;

    電池電壓上升到預(yù)設(shè)值（一般設(shè)為2.9V）時(shí),充電方式改為全電流充電,即進(jìn)入恒流充電階段;

    當(dāng)電池電壓達(dá)到最大電壓（鋰離子電池一般為4.2V）時(shí),開始改為恒壓充電,此時(shí)充電電流逐漸降低,進(jìn)入恒壓充電階段;

    當(dāng)電流逐漸減小到預(yù)設(shè)值時(shí),充電過程結(jié)束。

    2）供電電源自動(dòng)選擇

    bqTINY-II支持兩種電源輸入,默認(rèn)的是把AC適配器作為輸入源。如果沒有AC適配器,芯片就會(huì)選擇USB作為輸入電源。如果兩種輸入都存在,則優(yōu)先選擇AC適配器。

    3）電池過熱保護(hù)功能

    bqTINY-II通過測(cè)量腳TS和VSS之間的電壓來監(jiān)測(cè)電池的溫度。bqTINY-II內(nèi)部含有一個(gè)電流源,利用這個(gè)電流源為10kΩ的負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器提供偏置。bqTINY-II通過比較腳TS和內(nèi)部的閾值電壓VLTF、VHTF來決定是否進(jìn)行充電。當(dāng)VTS<VHTF或VTS>VLTF時(shí),就會(huì)停止充電。bqTINY-II只是通過關(guān)閉電源的FET來暫時(shí)停止充電時(shí),并沒有重新設(shè)置定時(shí)器。當(dāng)溫度恢復(fù)到正常值時(shí),充電就會(huì)繼續(xù)。用戶可以通過兩個(gè)額外的電阻來改變溫度范圍,如圖3所示。

圖3溫度傳感器范圍調(diào)節(jié)

    4）電池預(yù)充機(jī)制

    在一個(gè)充電周期中,如果電池電壓低于VLOWV,bqTINY-II就會(huì)利用預(yù)充電流Io(PRECHG)來對(duì)電池充電,這樣就可把電池中過度放電的離子激活。在ISET1、VSS之間的電阻RSET決定了預(yù)充率。這種特性對(duì)于AC和USB充電都適用。

    bqTINY-II會(huì)在預(yù)充電期間設(shè)置一個(gè)定時(shí)器。如果在這個(gè)定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間內(nèi)電池電壓沒有達(dá)到V（LOWV）,bqTINY-II將會(huì)停止充電,并且在腳STATx上顯示出錯(cuò)信息。

    5）充電電壓自動(dòng)控制功能

    bqTINY-II的腳OUT直接和電池的正極相連,芯片通過此引腳采集電池的反饋電壓,然后比較采集回的反饋電壓和VSS引腳之間的電壓差值,從而完成對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)。當(dāng)電池的電壓上升到Vo(REG)時(shí),恒壓充電開始,充電電流開始減小。

    為了安全起見,在充電期間bqTINY-II也監(jiān)視充電時(shí)間。如果在規(guī)定的充電時(shí)間t(CHG)期間未完成充電,bqTINY-II將會(huì)停止充電,并且在STATx引腳顯示出錯(cuò)信息。

    6）充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)（自動(dòng)終止和重新充電功能）

    在恒壓充電階段bqTINY-II一直監(jiān)視充電電流。一旦預(yù)設(shè)的I(TAPER)被檢測(cè)到,bqTINY-II就啟動(dòng)TAPER定時(shí)器（見圖1）。當(dāng)規(guī)定的時(shí)間到達(dá)后,充電過程結(jié)束。連接在ISET1和VSS之間的電阻RSET決定了TAPER的長(zhǎng)短。

    如果充電電流恢復(fù)到I（TAPER）,bqTINY就會(huì)重置Taper定時(shí)器。另外,如果充電電流小于I（TEMP）,則會(huì)終止充電。這樣就可以快速識(shí)別出電池的移出和已經(jīng)充好的電池的插入。注意,這種特性就會(huì)使充電計(jì)時(shí)器和Taper定時(shí)器失去效用。連接在腳ISET1和VSS之間的電阻RSET決定了TAPER電流的檢測(cè)門限。

    充電完成后,bqTINY-II一旦檢測(cè)到腳OUT的電壓低于VRCH,就會(huì)重新啟動(dòng)充電。這樣就會(huì)讓電池一直處于滿充的狀態(tài)。

    7）自動(dòng)休眠功能

    當(dāng)系統(tǒng)沒有連接AC和USB電源時(shí),bqTINY-II就會(huì)使模塊進(jìn)入低功耗休眠模式。這種特性可以防止沒有外部輸入時(shí)電池漏電。

    8）充電狀態(tài)信號(hào)

輸出

    表1列出了STAT1和STAT2的輸出所表示的充電狀態(tài)。這些狀態(tài)引腳輸出的信號(hào)可以用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED或送至主處理器作進(jìn)一步處理。

表1    充電狀態(tài)輸出信號(hào)表

    2.3    工作流程圖

    電源管理模塊的工作流程如圖4所示。當(dāng)有外部電源（AC或USB）輸入,且模塊使能信號(hào)CE為低電平時(shí),芯片開始工作。

圖4    模塊工作流程圖

    芯片首先比較輸入電壓VIN與電池電壓VOUT的高低。如果VOUT高于VIN則說明電池處于滿充狀態(tài),此時(shí)電池不需充電,芯片轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài),否則進(jìn)入充電程序。

    進(jìn)入充電程序后模塊首先檢測(cè)電池電壓VOUT是否高于進(jìn)行電池快充所需電壓VLOWV,如果滿足條件則進(jìn)入電池快充程序,即高精確準(zhǔn)度恒壓充電。否則模塊對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充,即涓流充電,直到電池電壓上升到VLOWV以上才進(jìn)入快充程序。模塊進(jìn)入預(yù)充或快充程序時(shí)都會(huì)設(shè)置相應(yīng)的計(jì)時(shí)器,以保護(hù)電池不被過充,提高電池使用壽命。

    電池如果預(yù)充超時(shí),則模塊進(jìn)入充電錯(cuò)誤處理程序,并在腳STATx輸出出錯(cuò)信息。模塊首先檢測(cè)電池是否可用,即檢測(cè)電池電壓VOUT是否大于預(yù)先設(shè)定的電池再充電壓VRCH。條件滿足則充電程序重新開始,否則激活計(jì)時(shí)器錯(cuò)誤恢復(fù)電流等待條件滿足。

    如果在恒流或恒壓充電階段計(jì)時(shí)器超時(shí),則模塊進(jìn)入充電錯(cuò)誤處理程序。如果在恒壓充電后期電流逐漸減小到規(guī)定值階段計(jì)時(shí)器超時(shí),則充電程序結(jié)束。

    3    應(yīng)用實(shí)例

    便攜式電子心音診斷儀是一種手持式心音輔助診斷設(shè)備,具有體積小、重量輕、使用方便、檢測(cè)迅速、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),為醫(yī)務(wù)工作者工作效率的提高起到了重要作用。本文介紹的電源管理模塊在該設(shè)備的設(shè)計(jì)方案中得到了應(yīng)用。該設(shè)備使用一塊鋰電池供電,采用bq24020作為電源管理核心控制芯片,通過STAT1和STAT2端口向系統(tǒng)主控芯片輸出電源狀態(tài),系統(tǒng)主控芯片通過輸出CE信號(hào)控制bq24020進(jìn)行工作,通過設(shè)置ISET2狀態(tài)對(duì)USB充電模式進(jìn)行選擇。系統(tǒng)還可以檢測(cè)TS接口信號(hào)來獲得電池溫度狀況。

    4    結(jié)語(yǔ)

    bqTINY-II的各項(xiàng)新特性使便攜產(chǎn)品的充電控制和供電管理設(shè)計(jì)更加容易,對(duì)電池的保護(hù)也更加完善,無論從成本、性能還是系統(tǒng)可靠性方面來衡量,用bqTINY-II來設(shè)計(jì)的電源管理模塊都能滿足需求。本文所介紹的電源管理模塊采用bqTINY-II系列芯片為核心,這是一種低成本鋰離子充電方案,可以使用廉價(jià)的可插到墻上的穩(wěn)壓器或者使用當(dāng)前流行的USB接口供電。由于它的高集成度和電路板占用空間小,幾乎完全消除了高端設(shè)備的功率耗散問題,是一種理想的便攜式設(shè)備電源管理模塊。