解析Li+电池供电设备的设计.docx

/任何便携电子系统都要求低成本、小尺寸、轻便。而为板上子系统设计电池充电及供电电路时，用电源管理IC可以方便地实现上述功能。这类的器件有很多，比如Maxim公司的MAX8671X，其可以从USB口或外部交流适配器获取电源，为锂离子或锂聚合物电池充电。除了充电功能外，该器件内部还集成了用于USB和直流输入的过压保护开关，5路独立的片上稳压器，这一组合大大减少了电路板的外部元件数量。因为MAX8671X可以无缝管理USB和交流适配器电源，MAX8671是一款完全安装并经过测试的印刷电路板(PCB)，可用于评估MAX8671X电源管理IC。MAX8671X集成型电源管理IC (PMIC)理想用于便携式媒体播放器和其他手持设备。除了五路稳定输出电压外，MAX8671X还集成单节锂离子(Li+)或锂聚合物(Li-聚合物)充电器和Smart Power Selector(SPS)，具有双电源(AC-DC适配器和USB)输入。 使得制造商能够省去AC/DC墙上适配器充电零配件，从而降低了系统成本。其集成了众多功能：电池充电器、适配器-USB-电池开关、系统电压调节以及各种检测功能(见图1)。5路独立的集成稳压器(3路2MHz开关降压型调节器，效率高达96%;2路低静态电流的线性稳压器)可以为多个子系统提供高效供电。 图1MAX8671X内部结构高度集成减少电源切换造成的混乱MAX8671XPMIC集成了DC/USB输入过压保护、单节Li+电池充电器以及电池和外部电源之间负载切换所需的功率开关。集成开关和调节器可以省去外部MOSFET以及杂乱的电压检测器、电流检测电阻、比较器、定时器以及其他常见的用于电源监测和切换的分立元件。MAX8671X的智能电源选择器(SmartPowerSelector)能够在外部输入、电池和系统负载之间无缝切换(见图2)，选择器操作如下。 图2智能电源选择器控制功率开关MOSFET(Q3)SYS系统复制命令。copy命令也能将文件复制到目标盘，但目标盘不能成为启动盘。因为这3个系统文件需位于启动盘的特定位置上。 SYS可将当前驱动器上的DOS系统文件IO.SYS,MSDOS.SYS和COMMAND.COM 传送到指定的驱动器上，用于创建启动盘。1当两个外部电源(USB或交流适配器)与电池连接时，如果系统(SYS)负载电流小于输入电流的限制，输入电源在保证系统供电的前提下为电池充电。如果系统负载超过了输入电流限制，电池可以补充SYS负载电流(ISYS)供电不足的部分，避免出现复位。2如果系统只连接了电池，没有连接外部电源，系统由电池供电。3如果连接了外部电源，没有连接电池，系统将由外部输入电源供电。某些情况下，适配器或USB所能提供的电流可能不足以支持系统的峰值负载。为了解决这个问题，当系统负载峰值超出所选择的输入电流限制或在DC或USB输入端没有连接电源时，集成的低RDSONMOSFET在内部将电池连接到SYS引脚，有电池为负载供电。如果系统负载连续超出输入电流的限制，即使连接了外部电源也不会给电池充电。通常情况下，只在峰值负载瞬间才会发生重载情况，这种情况在大部分设计中不会存在太久。除了给电池充电，MAX8671X通过SYS输出和多个内部稳压器给系统供电。IC的充电电流同样取自SYS节点。当然，输入电流门限控制了总体SYS电流(比如，ISYS和电池充电电流之和)。SYS可由DC或USB输入引脚供电(如果没有连接外部电源时则由电池供电)。如果DC和USB都连接了电源，优先选择DC输入供电。设计人员可以选择USB和交流适配器作为MAX8671X的输入电源，也可以选择两者之一供电。逻辑输入PEN1和PEN2用来选择双输入、单输入的正确限流。DC输入电流门限可调至1A，DC和USB输入都支持100mA、500mA和USB挂起模式。合理设计稳压器以延长电池使用寿命MAX8671X内部的5路高效稳压器都具有低功耗特性，可有效延长电池使用寿命。除了重载情况下保持高效外，稳压器在轻负载时也可以保持较高效率，从而进一步提高电池寿命。因为子系统工作时可能有几百毫安的峰值负载，而大部分时间的负载电流远远低于这一数值。因此在这样一个系统中，针对平时较低的负载电流进行优化，而不是优化在最高负载，有助于进一步延长电池使用寿命。稳压器，顾名思义，就是使输出电压稳定的设备。所有的稳压器，都利用了相同的技术实现输出电压的稳定输出电压通过连接到误差放大器(Error Amplifier)反相输入端(Inverting Input)的分压电阻(Resistive Divider)采样(Sampled)，误差放大器的同相输入端(Non-inverting Input)连接到一个参考电压Vref。 参考电压由IC内部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。 误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此，它提供负载电流以保证输出电压稳定。很多便携式系统多数时间处于“睡眠”状态。如果稳压器只是在满负荷时具有高效(90%)，而在空闲模式下效率较低(60%)，这种稳压器可能会很快耗尽电池能量。MAX8671X稳压器有效解决了这一问题，在重载(可为系统负载提供最大425mA)下效率可达96%，当负载电流只有1mA时仍可保持高达85%的效率。3路可调节开关稳压器(REG1、REG2和REG3)均可提供最大425mA的电流，开关频率为2MHz，大大减小了外部电感和电容尺寸的要求。由外部电阻设定每路稳压器的输出电压。其余2路稳压器(REG4和REG5)为低压差(LDO)线性稳压器，可提供最大为150mA的电流。REG5为系统的USB收发器供电，只有在连接USB电源的情况下才工作。REG4在没有DC或USB电源的情况下由电池供电。这两个LDO有助于延长电池寿命，为系统设计人员提供了灵活性。由于它们可以接受较宽的输入电压范围(1.75.5V)，可进一步降低功耗。最小1.7V的输入电压使这些LDO可以从某个降压型DC/DC转换器的输出(而不是直接由电池)供电。内部电池充电器管理PMIC的双输入充电器部分可以接受USB电源或交流适配器供电。由于集成了智能电源选择技术和用于管理充电过程的状态控制逻辑，能够完成所有电源控制和充电功能。图3所示为充电曲线。为了支持各种不同的电池容量，充电电流最大可调节至1A。 图3充电曲线充电器使能后，电池在有效的DC和/或USB输入下开启一次充电周期。首先检查电池电压，确定电池是否处于深度放电。如果电池处于深度放电，充电器将进入安全预充模式，电池以快充电流的1/10充电。一旦电池电压超过3.0V，充电器将进入快充模式，以设定的电流为电池充电。随着充电的继续，电池电压上升到电池的满充电压充电电流开始逐渐下降。当充电电流下降至所设定的快充电流的4%时，充电器进入短暂的浮充模式，然后终止充电。充电停止后，如果电池电压随后下降到电池满充电压下120mV，将重新开始充电，定时器复位。这可以保证电池在任何时间都维持或在接近满充状态，而且不会出现过充。充电速度由下面几个因素决定：电池电压、USB/DC输入电流限制、充电电流设置电阻(RCISET)、ISYS以及管心温度。MAX8671X为了防止输入过载和过热，可自动将充电电流降至某个低于所设置的充电速率的数值。从USB端取电MAX8671X的USB引脚为限流电源输入，为SYS端提供最大500mA的电流。连接USB和SYS的限流开关也是一个工作在降压模式的线性稳压器，即使在USB输入发生故障达到14V的情况下，这个线性稳压器也能防止SYS电压超出5.3V。USB ,是英文Universal Serial BUS(通用串行总线)的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入个人计算机?USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，其规格是由Intel(英特尔)、NEC、Compaq、DEC、IBM(商业机器公司)、Microsoft(微软)、Northern Telecom联系制定的。USB1.1标准接口传输速率为12Mbps，但是一个USB设备最多只可以得到6Mbps的传输频宽。因此若要外接光驱，至多能接六倍速光驱，无法再高。而若要即时播放MPEG-1的VCD影片，至少要1.5Mbps的传输频宽，这点USB办得到，但是要完成数据量大四倍的MPEG-2的DVD影片播放，USB可能就很吃力了，若再加上AC-3音频数据，USB设备就很难实现即时播放了。USB引脚在应用中通常连接到USB口的VBUS线。它通过第二个电源使能(PEN2)和USB挂起(USUS)数字控制输入支持USB规范的限流设置，可以设置在三种电流限的一种。对于低功率USB模式，限流为100mA;对于大功率USB模式，限流为500mA;对于USB挂起和未配置的On-the-Go(OTG)模式，限流为0.11mA(典型值)。当USB输入电压低于欠压门限(VUSBL：4V，典型值)或低于电池电压时，认为输入电源失效，将被关闭。同样，如果USB输入电压高于过压门限(VUSBH：6.9V，典型值)时，也被关闭。为了满足高速USB规范，每个连接设备都必须在内部配置为低功率模式。USB枚举过后，如果得到USB主机的容许，设备可以从低功率切换到高功率。MAX8671X不进行枚举，但它依靠系统与USB主机进行通信。主机会决定正确的电流限制，并通过PEN1、PEN2和USUS输入发送命令。内部热管理MAX8671X包含热管理功能，即使在散热条件不理想的小型手持设备中也能够避免过热。当管芯温度超过+100时，它会按照5%/降低