單電感移動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案

1.引言

針對(duì)如今便攜式移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，越來越大的屏幕需要更大的功率?；阡囯姵厝萘亢腕w積的正比關(guān)系，便攜式設(shè)備的電池容量只能局限在一定的范圍內(nèi)，一種大容量的獨(dú)立充電設(shè)備由此產(chǎn)生。但是由于通常做法是充電階段與放電階段為兩個(gè)不同的環(huán)路，容易產(chǎn)生信號(hào)的互相干擾，并且對(duì)于移動(dòng)電源這種相對(duì)廉價(jià)的設(shè)備，充電與放電共享的環(huán)路可以大大降低移動(dòng)電源的生產(chǎn)成本。

市面上移動(dòng)電源中常使用2個(gè)電感，其中充電電路中，充電過程需要一個(gè)電感，Boost電路放電過程中也需要一個(gè)電感。充電電路的工作過程是通過5V的交流適配器給移動(dòng)電源內(nèi)部的鋰電池充電;而Boost電路工作過程是將移動(dòng)電源內(nèi)部鋰電池升壓到5V進(jìn)行輸出，從而給移動(dòng)設(shè)備供電。但在移動(dòng)電源實(shí)際工作中這兩種電路通常情況不需要同時(shí)工作，也就是工作中兩個(gè)電感只有一個(gè)電感處于工作狀態(tài)，兩個(gè)環(huán)路只需要一個(gè)工作。

2.芯片工作原理

本文提出了一種單電感移動(dòng)電源的方案，這樣不僅利于移動(dòng)電源節(jié)省器件成本，還可節(jié)省設(shè)備體積，便于移動(dòng)電源更小型化。使設(shè)備穩(wěn)定性更高，單電感移動(dòng)電源電路如圖1所示：

(a). 充電芯片外圍電路

(b). 升壓芯片外圍電路

(c).單片機(jī)外圍電路

圖1. 電路中芯片工作電路。

MT2011是來頡科技設(shè)計(jì)的一款高效率大電流單串聯(lián)鋰電池充電控制器。它支持4.5V~6.5V輸入電壓，輸出電壓可以跟隨鋰電池電壓，最大2A的充電電流，使用了高效率的同步整流結(jié)構(gòu)，適合應(yīng)用于便攜式充電設(shè)備和移動(dòng)電源充電。整合電流采樣電阻、高精度的電流與電壓管理電路、滿電自動(dòng)停止充電。MT2011工作頻率為1.5MHz，使用同步整流結(jié)構(gòu)，效率高達(dá)93%。帶有充電電流軟啟動(dòng)、防反相電流二極管、充電電流采樣等功能，并帶有完善的輸出短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能。

MT5036是來頡科技設(shè)計(jì)的一款95%高效的800KHz同步升壓轉(zhuǎn)換器，它為單節(jié)鋰電池或多節(jié)鋰電池組并聯(lián)提供了良好的供電解決方案。 轉(zhuǎn)換器通過設(shè)置芯片外部FB分壓電阻或使用內(nèi)部FB分壓電阻來獲得一個(gè)穩(wěn)定輸出電壓。芯片轉(zhuǎn)換效率非常高，能提供足夠的負(fù)載電流，當(dāng)供電電壓下降到3V時(shí)，仍能在輸出電壓為5V時(shí)，輸出3A的負(fù)載電流， 電感中的峰值電流被限制在6.6A。 MT5036工作頻率可達(dá)800KHz，這使得電感和輸出電容都可以不用太大，并且?guī)в休p載PSM功能，可以保證芯片在全負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率。 擁有60uA的靜態(tài)電流，可以大大提高鋰電池的壽命，帶有低EMI工作模式，斷續(xù)工作時(shí)，可以有效減少振鈴，轉(zhuǎn)換器可以避免電池過放電，在關(guān)斷時(shí)負(fù)載可以完全與電池?cái)嚅_。

SN8P2711是一顆采用高速低功耗CMOS工藝設(shè)計(jì)開發(fā)的8位高性能精簡(jiǎn)指令單片機(jī)， 內(nèi)部有1K×16位一次性編程ROM(OTP-ROM)，64K×8位的數(shù)據(jù)寄存器(RAM)，三個(gè)雙向I/O口，兩個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)PWM/Buzzer模塊，多個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，四種系統(tǒng)工作模式，一個(gè)五信道的十二位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及五個(gè)中斷源。這款單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于測(cè)量、電機(jī)控制、工業(yè)控制、家電玩具類產(chǎn)品等。

3.電路工作原理分析

電路的工作具體原理如下：

電路工作分為兩個(gè)過程，一是外加5V電源對(duì)移動(dòng)電源內(nèi)置鋰電池充電，二是移動(dòng)電源對(duì)外接移動(dòng)設(shè)備充電。

工作在第一種過程時(shí)，交流適配器或5V電源接在移動(dòng)電源的Micro USB接口上，VIN為5V電壓時(shí)，R1與R2分壓產(chǎn)生USB信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到USB信號(hào)后，會(huì)將輸出EN信號(hào)拉低，禁止MT5036工作。MT2011上電后會(huì)檢測(cè)VCC的電壓，如果VCC電壓在可充電范圍內(nèi)，充電芯片開始工作，對(duì)鋰電池按照浮充、快速充電、恒壓充電的過程開始充電，電感電流由SW到VCC充電。TS信號(hào)在默認(rèn)狀態(tài)下是高，如果外部電路讓TS強(qiáng)行拉低讓MT2011停止工作， D2是鉗位二極管，可以限制SW電壓最低在-0.6V。圖2為充電和放電過程信號(hào)和輸入輸出的時(shí)序圖。

圖2 電路圖中控制與時(shí)序關(guān)系。

工作在第二個(gè)過程時(shí)，沒有交流適配器連接在USB2.0口連接被充電設(shè)備。即MT5036的VOUT只與被充電設(shè)備相連。電路會(huì)檢測(cè)到便攜設(shè)備是否連接在USB2.0端口，若插入設(shè)備或按啟動(dòng)按鈕就會(huì)啟動(dòng)MT5036，對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。電路中VCC通過R24(100K)與VOUT相連。

在移動(dòng)電源輸出端口不連接設(shè)備時(shí)，VOUT電壓等于VCC電壓，此時(shí)MT5036的EN信號(hào)為低，芯片不工作。當(dāng)設(shè)備插入時(shí)，VOUT被設(shè)備瞬間拉低，單片機(jī)檢測(cè)到VOUT變低的瞬間降低，可以判斷設(shè)備已接入，將EN信號(hào)拉高，使能MT5036工作，對(duì)設(shè)備充電。當(dāng)EN變高，STAT信號(hào)就被強(qiáng)制拉低，這時(shí)可以禁止MT2011工作，保證充放電芯片最多一個(gè)工作。

MT5036工作時(shí)，電感電流由VCC到SW。R9為下拉電阻，保證由于某種原因EN懸空時(shí)，EN引腳可以接地，MT5036不會(huì)誤工作。R7與R8為FB的分壓電阻，通過這兩個(gè)電阻來設(shè)置MT5036的VOUT電壓。C9、C10、C11為輸出儲(chǔ)能電容，BOOST電路電感往輸出端電流不連續(xù)，輸出電容容量應(yīng)盡量選大一些，在MT5036芯片中選用2個(gè)22uF貼片電容并聯(lián)。R14，R15為輸出電流采樣電阻，可以采樣MT5036的負(fù)載，用來判斷過載或者空載情況情況。

當(dāng)AMP信號(hào)電壓超過過載閾值時(shí)，單片機(jī)判斷為過載，此時(shí)將EN拉低，關(guān)段MT5036。當(dāng)AMP信號(hào)電壓低于0.1A負(fù)載閾值時(shí)，單片機(jī)判斷為空載，為防止效率耗散，40s后也將EN拉低，關(guān)段MT5036。

輸出電壓與分壓電阻關(guān)系為：

當(dāng)移動(dòng)電源工作于充電過程中，SW是VIN和GND的方波信號(hào)，VBAT引腳是MT5036的內(nèi)部供電引腳，此時(shí)VBAT引腳如果為電池電壓，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部漏電情況，可能會(huì)造成MT5036的損壞。由圖1(a)可看出，電源適配器5V輸入端(VIN)和鋰電池輸出端(VCC)均通過二極管連接到MT5036的VBAT引腳。這樣做可以防止芯片內(nèi)部漏電的情況。加入這兩個(gè)二極管后，MT5036的供電引腳會(huì)選取電壓大的一側(cè)作為供電電源，可以保證內(nèi)部MOS管有效關(guān)段。二極管類型最好選取肖特基二極管。

單片機(jī)在移動(dòng)電源中起調(diào)節(jié)工作模式和保護(hù)的功能。單片機(jī)7號(hào)腳的SW1是移動(dòng)電源輸出的開關(guān)。開關(guān)按下時(shí)，會(huì)拉高EN信號(hào)，使MT5036工作。4個(gè)LED燈用來顯示行動(dòng)電源當(dāng)前電量和充放電狀態(tài)。SW1開關(guān)還可以通過長按讓移動(dòng)電源手電筒功能打開。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文提出了一款單電感高效率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于市面上的移動(dòng)電源中。使用1盎司銅厚雙層板PCB指標(biāo)已能達(dá)到使用要求。

隨電池電壓可變的占空比可以保持系統(tǒng)在輸入輸出范圍內(nèi)工作都是穩(wěn)定的，如圖3所示。SW占空比可以保持D=VOUT/VIN。整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的

圖3. 充電狀態(tài)不同電池電壓的SW狀態(tài)。

圖4. 放電狀態(tài)負(fù)載跳變時(shí)對(duì)輸出電壓的影響。

由圖4可知，2A的負(fù)載跳變會(huì)引起低于100mV的輸出變化，為2%變化率，在移動(dòng)電源芯片中表現(xiàn)是很好的。

在充電過程中，最高效率可以達(dá)到92%;在放電過程中，最高效率可以達(dá)到96%。所以用MT2011和MT5036兩款電源芯片可以使整體設(shè)備保持很高的效率。在芯片處于待命狀態(tài)工作時(shí)，靜態(tài)電流可以低達(dá)40uA，也就是說處于待命狀態(tài)180000小時(shí)，才會(huì)消耗行動(dòng)電源25%的電量，所以，系統(tǒng)可以保持很長的壽命。

5.結(jié)論

在這篇文章中，通過對(duì)來頡科技兩款電源芯片的介紹和對(duì)整體電路工作狀態(tài)的介紹，描述了一種低靜態(tài)電流的充電升壓?jiǎn)坞姼袘?yīng)用的移動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)可以在單電感(低成本)情況下，保持移動(dòng)電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作。并且可以保持高達(dá)96%的放電效率。40uA級(jí)別的低靜態(tài)電流使得行動(dòng)電源擁有超長的壽命。此文介紹的單電感移動(dòng)電源還帶有插入用電器自啟動(dòng)功能，并且2A負(fù)載跳變(ipad插入或拔出)能夠保持在2%輸出精度。