新一代高效率移动电源设计 移动电源

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作者：深圳市致尚微电子有限公司 杨帆

随着智能移动设备性能的不断提升，电池越来越不堪重负，移动电源产品随之发展壮大，此外，用户需求的提升也要求产品朝着灵活设计的方向发展。目前市场上的锂电池充电管理IC大多为1A线性充电，其缺点表现为：1A的线性充电温度很高、片上热阻损耗严重，导致线性电池充电管理IC的电流很难做到2A，即使通过外扩MOS做到2A，温度也比较高，而且转化效率在70%左右，因此，开关充电就显得非常必要。目前市场上对锂电池充电管理IC的需求主要是：2A~3A大电流集成MOS、开关式效率达到90%以上，以及低温充电管理IC。另外，多功能的集成芯片越来越受欢迎，包括开关充电管理、电池电量检测显示、同步升压输出限流等功能集成于单一芯片之上成为当今的发展趋势。

集成多功能，低成本更可靠

“三合一”、“五合一”芯片受到市场欢迎。ZS6366即是一款应用于移动电源，集成了开关锂电池充电管理、同步升压输出限流、电池电量检测显示、LED手电筒及按键控制为一体的便携式电源管理IC。它以开关方式进行充电，集成了包括涓流充电、恒流充电和恒压充电全过程的充电方式，浮充电压精度在全温度范围可达±1%，并且具有充电电流温度低，充电效率高等优点，配合适当的外围器件可以达到2A甚至更高的充电电流。

在充电状态下，如果输出USB同时接了负载，ZS6366的动态路径调整功能会智能分配输入电流优先提供给负载，如果负载电流增大，则会自动关闭充电，待负载充电电流逐渐减小到一定值时再打开电池充电，有效地限制了输入电流，防止损坏供电的适配器或者USB。同时也可以通过按键切换充电或放电。

ZS6366的DC-DC升压可达到±1%的精度，可以提供高达90%以上的升压转换效率，同时具有精确的升压限流功能。ZS6366 配置了4个LED恒流驱动端口，智能显示电池电量，芯片内置逻辑锁定功能，防止电量指示的状态不稳，同时集成了电池真实电压追踪技术，跟踪电芯内部真实电量，防止充放电造成的电压偏差。另外，ZS6366具有多重保护设计，包括负载过流保护、短路保护、软启动保护等，同时芯片端口设计了高性能的ESD保护电路，使得该款芯片具有极高的可靠性。电池放电在2.9V时关断，有效保护和延长电池充放次数和寿命。

基于ZS6366的应用实例

ZS6366采用同步降压方式来对锂电池进行充电，此做法的好处是可以将转换效率提升至90%以上，并且能很好地规避线性管理IC的温度高、电流无法做大的问题。而在充电功能、升压功能及保护功能上都做了非常好的优化，在做到快速充电的同时，提高了可靠性，降低了成本。图1为基于ZS6366的典型应用方案的系统框图，图2为充电过程中的状态转换示意，图3是一个典型应用的电路图。



图1：ZS6366芯片系统框图。



图2：状态转换图。

1 开关充电

在充电过程中，ZS6366用开关方式对电池进行涓流/恒流/恒压三段式充电。当电池电压低于3V时进行涓流充电；当电池电压高于3V时进行恒流充电；当电池电压接近4.2V时进行恒压充电，此时充电电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的1/10时，4个LED灯全部常亮，指示电池已经饱和。这时，芯片可选择电流进一步减小到零，维持浮充电压；或者终止充电，等待电池电压降低到一定电压(VRECHG)时进行复充(Recharge)。

充电时，对电池充电的电流大小由芯片的SNS引脚和BAT引脚之间的采样电阻RS来设定。恒流充电电流ICharge由下式决定：




涓流充电电流为ICharge的1/8，充满判断电流为ICharge的1/10。

电流的瞬时增大会对电池造成伤害，当电池直接进入恒流充电时，ZS6366会控制充电电流逐渐增大到设定值，避免了瞬间大电流冲击引起的各种问题。

另外，ZS6366具有动态路径调整功能，保证了USB端负载的优先供电。如果充电过程中，输出USB同时带有负载，ZS6366会控制系统给电池充电同时供电给负载；如果VCCS>3.7mV，ZS6366会控制系统优先供电给负载，同时逐渐减小充电电流直到不充电，让全部输入电流供给负载，同时达到了输入限流的效果，如果VCCS<3.2mV，芯片会控制恢复充电。

2. 同步升压

此方案具有同步升压功能，可将单节锂电池2.9V ~4.2V之间的电压升压到5V输出，给负载供电。电池电压低于2.9V时，芯片系统将判断为电池电量不足，停止升压。当VIN电压低于3.3V时，系统将判断为电源适配器掉电，并启动升压电路。

升压时，ZS6366通过CS和CSN检测负载电流，如果负载电流逐渐增加，到达限流值时输出电压会下降，直到不升压(同步整流PMOS常开)。限流值的计算：




同时要满足:




直观地讲，充电电流和升压电流是相关的，如果充电电流设定为1A，在电池电压最低的情况下升压，升压时最多能输出1A左右的电流。如果想增大升压输出电流，则充电电流也要相应增加。

另外，ZS6366还具有放电过流保护和短路保护功能，负载电流超过限流电流继续增大，直至CS与CSN两端的压差超过60mV，且维持时间超过1s，则系统启动负载过流保护功能，芯片关闭USB的输出通路，进入待机状态。

3 保护

此方案拥有多种保护功能，可保障器件的正常工作。保护功能包括：充电USB短路保护、升压USB短路保护、二级短路保护和USB过压保护等功能。

充电USB短路保护：当充电时USB发生短路，芯片会关闭USB输出，熄灭电量指示灯，同时继续为电池充电；短路解除后，短按按键可以解除短路保护状态，USB输出打开，电量指示灯亮起，16s后恢复充电。

升压USB短路保护：当电池升压时，USB发生短路，芯片会关闭升压，进入待机状态；短按按键可以解除短路保护状态。

二级短路保护：在某些极限状态下发生USB短路，芯片检测不到短路状态，但仍然可以关闭USB输出，短路解除后会自动恢复原来状态，保护器件不被损坏，电池端也不会出现大电流，保护IC不会保护。

USB过压保护：输入电压过高，超过6V时，芯片会控制关闭USB输出，防止接在USB的便携设备因为过压而损坏，指示灯闪烁，提示输入电压异常，充电仍然正常进行。输入电压正常后状态解除。

4. 系统其他控制功能

当一个灯以4Hz频率开始闪烁时，表示系统内部电池电量不足(即电池电压已经低于2.9V)，需要充电，这时升压系统已经关闭，LED灯闪烁4s后，系统进入待机状态。

在无电源的情况下，短按按键，启动5V升压系统给负载供电，同时LED灯显示当前电量，维持时间约为8秒钟，之后LED灯自动关闭，如果在8秒钟内灯没有熄灭的时候再一次短按手动开关，则灯会马上关闭。



图3：典型应用电路图。

设计的注意事项

在设计过程中，电阻、电容、电感等元器件的选择对于系统的正常工作起着非常重要的作用。比如电阻，RS和RCS的精度影响采样电流的精度，因此推荐使用1%精度的电阻；对于封装，请根据电阻实际的功率计算，也可以用两个并联的形式分散热量。例如：RS在升压时流过电流最大为2A，则它最大功耗是2A×2A×0.04Ω=0.16W

RFB1和RFB2的精度影响输出电压的精度，因此推荐使用1%精度的电阻，如担心虚焊的问题也可考虑RFB1采样两个电阻并联。

总结

ZS6366运用了比较新颖的拓扑结构，升压和降压用同一个电感，不但充电可以做到同步，还支持同步升压给手机充电，所以在1A~2A输入充电时效率和温度表现都很好，同时还集成了运算放大器，可实现精准电量指示，并提供过充过放、过压、过流、短路、限流保护等功能。