隨著智能移動(dòng)設(shè)備性能的不斷提升,電池越來越不堪重負(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,開關(guān)充電就顯得非常必要。目前市場上對(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(dòng)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(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(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
在充電過程中,ZS6366用開關(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)。
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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(shí)輸出電壓會(huì)下降,直到不升壓(同步整流PMOS常開)。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(shí)間超過1s,則系統(tǒng)啟動(dòng)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(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過壓保護(hù)等功能。
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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,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過壓保護(hù):輸入電壓過高,超過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^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)燈沒有熄滅的時(shí)候再一次短按手動(dòng)開關(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(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,并提供過充過放、過壓、過流、短路、限流保護(hù)等功能。
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