電源管理模塊功能與原理

1、 .DOC資料. 電源管理模塊功能及原理-作者：-日期：復(fù)合線路濾波器及其應(yīng)用摘要：在分析了鋰離子電池的充電過程和bqTINY-II系列電源管理芯片功能特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種以bq24020芯片為核心的電源管理模塊，并詳細(xì)介紹了該模塊的功能和工作原理。關(guān)鍵詞：鋰電池；USB電源；恒流充電；恒壓充電 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)時間長等特性，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)計過程中，其電源管理模塊的設(shè)計是十分重要的，因為這關(guān)系到整個系統(tǒng)工

2、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，其電源管理模塊的作用更加突現(xiàn)。本文針對鋰電池充電的特點，介紹了一種基于bqTINY-II的便攜式電子心音檢測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個階段，如圖1所示。 圖1 三階段充電流程圖 第一階段為檢驗和預(yù)充電階段。該階段主要的任務(wù)是：驗證電池的溫度并將其調(diào)整到適合快速充電的范圍內(nèi)；檢測電池電壓并將其提高到一個安全水平。溫度檢驗和預(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

3、完成對大約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)這個充電電流接近快速充電電流的10，即C/10時，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)計人員帶來一套集成解決方案。該芯片將自動電源選擇、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。它的一個重要特點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-I

4、I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，bqTINY-II就會進(jìn)入低功耗休眠模式，它此時只會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個輸入接口，4個輸出接口和一個公共地。其中4個輸入接口為：交流適配器

5、AC接口、USB取電接口、充電使能信號CE、USB充電點設(shè)置；4個輸出接口為：電源輸出、電源溫度信號輸出、2個充電狀態(tài)指示輸出。 面向應(yīng)用系統(tǒng)的6個接口的參數(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)信號輸出，該信號由電池艙內(nèi)的10k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，該信號為低電平時充電電路工作，高電平時芯片停止工作并進(jìn)入低功耗休眠模式。 ISET2接口用于控制USB充電時的參數(shù)選擇。由于USB接口分為大功率（500mA）和小功

6、率（100mA）兩種，因此系統(tǒng)必須對其進(jìn)行識別。識別完成后系統(tǒng)可以送低電平信號到該接口，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)。 STAT1和STAT2為充電狀態(tài)顯示信號輸出，該信號可以直接驅(qū)動多個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）三階段充電自動控制功能 檢測電池的電壓，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，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，開

7、始改為恒壓充電，此時充電電流逐漸降低，進(jìn)入恒壓充電階段； 當(dāng)電流逐漸減小到預(yù)設(shè)值時，充電過程結(jié)束。 2）供電電源自動選擇 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通過測量腳TS和VSS之間的電壓來監(jiān)測電池的溫度。bqTINY-II內(nèi)部含有一個電流源，利用這個電流源為10k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)VTSVLTF時，就會停止充電。bqTINY

8、-II只是通過關(guān)閉電源的FET來暫時停止充電時，并沒有重新設(shè)置定時器。當(dāng)溫度恢復(fù)到正常值時，充電就會繼續(xù)。用戶可以通過兩個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 在一個充電周期中，如果電池電壓低于VLOWV，bqTINY-II就會利用預(yù)充電流Io(PRECHG)來對電池充電，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。這種特性對于AC和USB充電都適用。 bqTINY-II會在預(yù)充電期間設(shè)置一個定時器。如果在這個定時器設(shè)置的時間內(nèi)電池電壓沒有達(dá)到V（LOWV），bqTINY-II將會停止充電，并且在腳STAT

9、x上顯示出錯信息。 5）充電電壓自動控制功能 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，從而完成對電池電壓的監(jiān)測。當(dāng)電池的電壓上升到Vo(REG)時，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)視充電時間。如果在規(guī)定的充電時間t(CHG)期間未完成充電，bqTINY-II將會停止充電，并且在STATx引腳顯示出錯信息。 6）充電狀態(tài)監(jiān)測（自動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)被檢測到，bqTINY-II

10、就啟動TAPER定時器（見圖1）。當(dāng)規(guī)定的時間到達(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的長短。 如果充電電流恢復(fù)到I（TAPER），bqTINY就會重置Taper定時器。另外，如果充電電流小于I（TEMP），則會終止充電。這樣就可以快速識別出電池的移出和已經(jīng)充好的電池的插入。注意，這種特性就會使充電計時器和Taper定時器失去效用。連接在腳ISET1和VSS之間的電阻RSET決定了TAPER電流的檢測門限。 充電完成后，bqTINY-II一旦檢測到腳OUT的電壓低于VRCH，就會重新啟動充電。這樣就會讓電池一直處于滿充的狀態(tài)。 7）自動休眠功能 當(dāng)系統(tǒng)沒

11、有連接AC和USB電源時，bqTINY-II就會使模塊進(jìn)入低功耗休眠模式。這種特性可以防止沒有外部輸入時電池漏電。 8）充電狀態(tài)信號輸出 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)引腳輸出的信號可以用于驅(qū)動多個LED或送至主處理器作進(jìn)一步處理。 表1 充電狀態(tài)輸出信號表 充電狀態(tài) STAT1 STAT2 正在進(jìn)行預(yù)充 ON ON 正在進(jìn)行快充 ON OFF 充電結(jié)束 OFF ON 充電延緩（超溫） OFF OFF 定時器故障 OFF OFF 休眠模式 OFF OFF OFF是指芯片輸出通道晶體管對STAT1或STAT2引腳處于關(guān)閉狀態(tài) 2.3 工作流程圖 電源管理模塊的工

12、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CE為低電平時，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)充或快充程序時都會設(shè)置相應(yīng)的計時器，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，則

13、模塊進(jìn)入充電錯誤處理程序，并在腳STATx輸出出錯信息。模塊首先檢測電池是否可用，即檢測電池電壓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，否則激活計時器錯誤恢復(fù)電流等待條件滿足。 如果在恒流或恒壓充電階段計時器超時，則模塊進(jìn)入充電錯誤處理程序。如果在恒壓充電后期電流逐漸減小到規(guī)定值階段計時器超時，則充電程序結(jié)束。 3 應(yīng)用實例 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、檢測迅速、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，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)計方案中得到了應(yīng)用。該設(shè)備使用一塊鋰電池供電，采用bq

14、24020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信號控制bq24020進(jìn)行工作，通過設(shè)置ISET2狀態(tài)對USB充電模式進(jìn)行選擇。系統(tǒng)還可以檢測TS接口信號來獲得電池溫度狀況。 4 結(jié)語 bqTINY-II的各項新特性使便攜產(chǎn)品的充電控制和供電管理設(shè)計更加容易，對電池的保護(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，可以使用廉價的可插到墻上的穩(wěn)壓器或者使用當(dāng)前流行的USB接

15、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。 電子產(chǎn)品為實現(xiàn)小型、輕便和低功耗,現(xiàn)已普遍采用 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源。但是,由于 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源電路造成城市電網(wǎng)高次諧波污染,易導(dǎo)致交流市電供電設(shè)施燒毀,為此,世界各國都按照IEC-61000-3-2規(guī)格,對 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源的高次諧波污染嚴(yán)加限制。在21世紀(jì)國際市場上流通的 HYPERL

16、INK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源產(chǎn)品,必須符合IEC-61000-3-2規(guī)格要求。 在開發(fā)抑制高次諧波的 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源過程中,普遍遇到的棘手問題,即產(chǎn)生出新的干擾,致使噪音對策復(fù)雜化。本文介紹一種復(fù)合線路濾波器(Line Filter),它能消除開關(guān)電源高次諧波對策中出現(xiàn)的共態(tài)噪聲(Common Mode Noise)和常規(guī)模式噪音(Normal Mode Noise),特別是能充分發(fā)揮 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源高次諧波對策(有源濾波方

17、式)的威力。 一、新問題及其對策 為解決 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源對市電網(wǎng)的高次諧波污染問題,電子產(chǎn)品制造廠商開發(fā)出很多 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源的輸入電路,可歸納為如下的兩類:(1)扼流圈輸入(Choke Input)電路是電源(Passive)對策方式;(2)有源濾波器電路是屬于有源(Active)對策方式。這兩種電路分別如圖1(a)和圖1( b)所示;其中,圖1(a)所示的扼流圈輸入電路,由于扼流圈體積龐大而且笨重,應(yīng)用上有很大局限性;圖1(b)所示的有源濾波器電路的優(yōu)點是抑制

18、高次諧波十分有效,而且便于實現(xiàn)小型化和輕便比,很遣憾的是也有美中不足 。1.新問題 有源濾波器電路在解決高次諧波方面值得稱道,但它導(dǎo)致產(chǎn)生新的干擾問題:(1)共態(tài)噪聲它是在信號線與地線之間產(chǎn)生干擾,由于在信號線間這種噪聲的相位和振幅都是共同的,故叫作共態(tài)噪聲;(2)常規(guī)模式噪聲它是在線與線之間產(chǎn)生的干擾,故亦稱線間噪聲,不平衡噪聲或差動噪聲等。共態(tài)噪聲和常規(guī)模式噪聲的傳播通路分別如圖2(a)和圖2(b)所示,在 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源高次諧波對策電路里,這兩種噪聲都很大,必須采取新的抑制措施。 2.噪聲濾波器電路 鑒于防止高次諧波的 H

19、YPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源常用有源濾波器方式,以下主要介紹該方式里出現(xiàn)的噪聲應(yīng)如何采取相應(yīng)的對策。但是,各個廠家為了使其產(chǎn)品符合限制噪聲電平的要求,往往采取各種各樣的噪聲對策。本文因篇幅所限,不能一一介紹。以下,僅就標(biāo)準(zhǔn)的噪聲濾波電路,作簡單說明。 一般AC電源的噪聲濾波器電路,如圖3(a)所示。其中,Lc是消除低頻帶共態(tài)噪聲的線路濾波器(共態(tài)扼流圈),通常共態(tài)電感中約有1%左右的常規(guī)模式電感成份,多少也有點消減常規(guī)模式噪聲的作用。圖3(a)中的Cx是擔(dān)負(fù)消減低頻帶常規(guī)模式噪聲的跨線電容器(Across the Line Condenser)

20、(簡稱x電容器),Cy是消除高頻帶共態(tài)噪聲的線路旁路電容器(簡稱y電容器);由于它們是配置在信號線與地線之間,對于削減常規(guī)模式噪聲也多少有些貢獻(xiàn)。實際上,這種線路濾波器里也包含有常規(guī)模式 電感成份,確切地表示時請參閱圖3(b)所示的等效電路。 克服 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源高次諧波問題,有源濾波器方式的 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源電路是很實用的。但是, 它帶來的常規(guī)模式噪聲成份也確實不少。當(dāng)這種噪聲衰減不夠充分時,不得不附加上常規(guī)模式扼流圈,詳見圖3(c)所示。一波未平,一波又起。一旦

21、又附加上常規(guī)模式扼流圈,使濾波器電路里的電子元器件個數(shù)增加,焊點加多,體積膨脹,都成為急待解決的新課題。此外,也有要在線路濾波器上追加x電容器的情況,這時隨之而來的是成本、重量和面積等都相應(yīng)增加。 二、復(fù)合線路濾波器 為了解決上述的新課題,日本松下電器采取復(fù)合線路濾波器設(shè)計、制造方法,獲得滿意的結(jié)果。它是以已有的線路濾波器(共態(tài)扼流圈線圈)為基礎(chǔ),擴(kuò)充有常規(guī)模式扼流圈線圈,形成復(fù)合濾波器可以削減電子元件連接點數(shù)和節(jié)省空間。 1.基本結(jié)構(gòu) 通過在以往的線路濾波器的繞線骨架里嵌入磁性元件,設(shè)計出兼?zhèn)湫纬蓸?biāo)準(zhǔn)模式電感的磁路。在考慮鐵芯磁飽和條件下,對共態(tài)電感和標(biāo)準(zhǔn)模式電感進(jìn)行綜合平衡設(shè)計。松下電器公

22、司成功地設(shè)計、制造出線路濾波器帶有兩個常規(guī)模式扼流圈的一體化復(fù)合線路濾波器新產(chǎn)品,堪稱是功能綜合,結(jié)構(gòu)緊湊,小型輕便。 2.新產(chǎn)品規(guī)范及其特點 松下電器公司開發(fā)的25C型復(fù)合線路濾波器的系列規(guī)范如表1所示。用戶可根據(jù)自身的機(jī)器產(chǎn)品開發(fā)需求,從25C型復(fù)合線路濾波器系列產(chǎn)品中自由選購。 25C型復(fù)合線路濾波器系列產(chǎn)品是在充分仔細(xì)分析 標(biāo)準(zhǔn)濾波器原理的基礎(chǔ)上,合理地吸收以往的線路濾波器生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行開發(fā)的新產(chǎn)品。其主要特點如下:(1)一體化的濾波器,結(jié)構(gòu)小巧,節(jié)約安裝空間;(2)磁路設(shè)計巧妙和線圈繞制上下工夫,促使該濾波器具備很大的電感量;(3)允許通過大電流,非常適合于作為 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電源的濾波器;(4)漏磁通量很小。 關(guān)于磁漏問題,值得提及