新一代高效率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

隨著智能移動(dòng)設(shè)備性能的不斷提升，電池越來(lái)越不堪重負(fù)，移動(dòng)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(jì)的方向發(fā)展。目前市場(chǎng)上的鋰電池充電管理IC 大多為1A線性充電，其缺點(diǎn)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(guò)外擴(kuò)MOS做到 2A，溫度也比較高，而且轉(zhuǎn)化效率在70%左右，因此，開(kāi)關(guān)充電就顯得非常必要。目前市場(chǎng)上對(duì)鋰電池充電管理IC的需求主要是：2A~3A大電流集成MOS、開(kāi)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(lái)越受歡迎，包括開(kāi)關(guān)充電管理、電池電量檢測(cè)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(shì)。

集成多功能，低成本更可靠

“三合一”、“五合一”芯片受到市場(chǎng)歡迎。ZS6366即是一款應(yīng)用于移動(dòng)電源，集成了開(kāi)關(guān)鋰電池充電管理、同步升壓輸出限流、電池電量檢測(cè)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(kāi)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(guò)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(diǎn)，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(shí)接了負(fù)載，ZS6366的動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整功能會(huì)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(huì)自動(dòng)關(guān)閉充電，待負(fù)載充電電流逐漸減小到一定值時(shí)再打開(kāi)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(shí)也可以通過(guò)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(shí)具有精確的升壓限流功能。ZS6366 配置了4個(gè)LED恒流驅(qū)動(dòng)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(shí)集成了電池真實(shí)電壓追蹤技術(shù)，跟蹤電芯內(nèi)部真實(shí)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(jì)，包括負(fù)載過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、軟啟動(dòng)保護(hù)等，同時(shí)芯片端口設(shè)計(jì)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(shí)關(guān)斷，有效保護(hù)和延長(zhǎng)電池充放次數(shù)和壽命。 基于ZS6366的應(yīng)用實(shí)例

ZS6366采用同步降壓方式來(lái)對(duì)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(wú)法做大的問(wèn)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(shí)，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(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意，圖3是一個(gè)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(kāi)關(guān)充電

在充電過(guò)程中，ZS6366用開(kāi)關(guān)方式對(duì)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(shí)進(jìn)行涓流充電;當(dāng)電池電壓高于3V時(shí)進(jìn)行恒流充電;當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)電流減小到恒流充電電流的1/10時(shí)，4個(gè)LED燈全部常亮，指示電池已經(jīng)飽和。這時(shí)，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(shí)進(jìn)行復(fù)充(Recharge)。

充電時(shí)，對(duì)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(lái)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(shí)增大會(huì)對(duì)電池造成傷害，當(dāng)電池直接進(jìn)入恒流充電時(shí)，ZS6366會(huì)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(wèn)題。

另外，ZS6366具有動(dòng)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(guò)程中，輸出USB同時(shí)帶有負(fù)載，ZS6366會(huì)控制系統(tǒng)給電池充電同時(shí)供電給負(fù)載;如果VCCS》3.7mV，ZS6366會(huì)控制系統(tǒng)優(yōu)先供電給負(fù)載，同時(shí)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(shí)達(dá)到了輸入限流的效果，如果VCCS《3.2mV，芯片會(huì)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(shí)，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(shí)，系統(tǒng)將判斷為電源適配器掉電，并啟動(dòng)升壓電路。

升壓時(shí)，ZS6366通過(guò)CS和CSN檢測(cè)負(fù)載電流，如果負(fù)載電流逐漸增加，到達(dá)限流值時(shí)輸出電壓會(huì)下降，直到不升壓(同步整流PMOS常開(kāi))。限流值的計(jì)算：

同時(shí)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(shí)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(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，負(fù)載電流超過(guò)限流電流繼續(xù)增大，直至CS與CSN兩端的壓差超過(guò)60mV，且維持時(shí)間超過(guò)1s，則系統(tǒng)啟動(dòng)負(fù)載過(guò)流保護(hù)功能，芯片關(guān)閉USB的輸出通路，進(jìn)入待機(jī)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(jí)短路保護(hù)和USB過(guò)壓保護(hù)等功能。

充電USB短路保護(hù)：當(dāng)充電時(shí)USB發(fā)生短路，芯片會(huì)關(guān)閉USB輸出，熄滅電量指示燈，同時(shí)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(kāi)，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(shí)，USB發(fā)生短路，芯片會(huì)關(guān)閉升壓，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);短按按鍵可以解除短路保護(hù)狀態(tài)。

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

USB過(guò)壓保護(hù)：輸入電壓過(guò)高，超過(guò)6V時(shí)，芯片會(huì)控制關(guān)閉USB輸出，防止接在USB的便攜設(shè)備因?yàn)檫^(guò)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(gè)燈以4Hz頻率開(kāi)始閃爍時(shí)，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(shí)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(jī)狀態(tài)。

在無(wú)電源的情況下，短按按鍵，啟動(dòng)5V升壓系統(tǒng)給負(fù)載供電，同時(shí)LED燈顯示當(dāng)前電量，維持時(shí)間約為8秒鐘，之后LED燈自動(dòng)關(guān)閉，如果在8秒鐘內(nèi)燈沒(méi)有熄滅的時(shí)候再一次短按手動(dòng)開(kāi)關(guān)，則燈會(huì)馬上關(guān)閉。

圖3：典型應(yīng)用電路圖。

設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電阻、電容、電感等元器件的選擇對(duì)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(duì)于封裝，請(qǐng)根據(jù)電阻實(shí)際的功率計(jì)算，也可以用兩個(gè)并聯(lián)的形式分散熱量。例如：RS在升壓時(shí)流過(guò)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(wèn)題也可考慮RFB1采樣兩個(gè)電阻并聯(lián)。

總結(jié)

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