【《锂电池充电管理芯片电路设计案例》5300字】

锂电池充电管理芯片电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4142锂电池充电管理芯片电路设计案例 131631.1测试芯片外围电路设计 1252281.1.1测试规范 2279001.1.2.绘制电路图 379551.2PCB板版图设计 4274661.2.1软件介绍PADSLAYOUT 469381.2.2PCB板设计规则 5231631.2.3模块分析 6192891.2.4电路图布线全局规划 9228961.3焊接电路板 1010331.3.1焊接工具 10247901.3.2焊接实体电路图 10253641.4测试程序设计 12182021.1.1分配引脚 12319281.1.2测试前清0 1343481.1.3测试OS_VDD 13261851.1.4测试充电时CHRG端电压VCHRG 14235001.1.5测试充满电时CHRG端电压VCHRG 15225141.1.6测试其工作电流IDD 15221741.1.7测试关断电流ISD 1696471.1.8测试BAT端电流 16107341.1.9测试BAT端电压 171.1测试芯片外围电路设计具体的操作流程框图可按图1.1所示。对于拿到一款芯片产品需要设计外围电路来进行测试的话，首先我们需要了解的是芯片内部结构，芯片的功能，芯片的各个引脚是有何用处，芯片对于外部环境有什么要求，随后才能进行到下一步。图1.1流程框图1.1.1测试规范测试规范如表1.1所示，测试结果必须在数值下线与数值上线之间。如果测试的结果不在测试范围中，说明设计的电路与实际有差别。所出结果必须在规范设置的数值之中。通过查看锂电池一系列的测试项[9],确认了锂电池的测试项目为表1.1中的测试项。表1.1测试规范参数名下限上限单位OS_VDD-0.90.2VOS_CHAG-0.9-0.2VOS_PROG-0.9-0.2VVBAT1.171.25VVCHAG100.3VVCHAG21.55.25VIDD30500μAISD080μAIBAT/1μAOS_VDD1-0.9-0.2VOS_CHAG1-0.9-0.2VOS_PROG1-0.9-0.2V1.1.2.绘制电路图由于此芯片采用的SOT23-5封装，故设计图1.2中的电路图为测试设计方案。此设计电路为两块芯片同时测试的测试电路。图1.2设计方案其中圆圈中加+号为电压源或者电流源，其可以通过测试方法来决定，并且控制其究竟为电压源还是电流源是可通过STS8200测试机台来决定的。首先分析一下CHRG端口，CHRG端口的电流设置的最高电流为1.5mA，因为USB接口输入电压通常为5V左右,故我们假设输入电压为稳定的电压为5V，为了此端口的安全性，且根据公式R=U/I，我们必须所采用的电阻值最小阻值约等于为3.3K，同时因为此值是最小值，为了确保电路的可行性，故采用的5K电阻更为保守，数值也可更加稳定化。由于PROG端在恒流充电时，会被提供1V的电压，而充电电流也会根据此端口来进行查看关闭。根据芯片内部提供固定公式IBAT=(VPROG/RPROG)*1000,因为IBAT的最小值为180mA，最大值为220mA,根据最小值可得出，阻值约等于5.56K,而最大值为220mA,阻值约等于为1.54K，取其中中间值为5K,故PROG端口采用5K电阻,此电阻的作用用来调节输出端的负载能力[10]。BAT端连接了一个电阻以及一个电容，这里是模拟单节锂电池充放电的过程。对于电容来说，1.7uF只是因为此电路较为常用的数值，其余的电容也是可以使用的，如10uF，1uF等。对于电容来说，如果电容尺寸过大，我们需要增加延时时间，从而来确保数据的稳定性。这样大大地延长测试时间，浪费测试成本。故采用适中的1.7uF能够确保数据准确,同时1.7uF经过测试被发现等效阻抗和温度系数都很小[11],对于此电容在充电管理芯片中的作用也是为了能够输入最大的充电的电流[12]。而对于40R的电阻来说，是因为电容的充放电是有一个上升以及下降的过程的，通过40R的电阻，去抽取其中部分电流，从而获取自己所需要的数值。VIN端所连接的电容1.7uF是为了稳定电压，使测试数据变得更加稳定。在VIN端添加了一个电压源，是为了测试其端口的电压，从而确保芯片能否正常使用。GND端直接接地。1.2PCB板版图设计1.2.1软件介绍PADSLAYOUT对于PCB版版图设计，我所采用的软件是PADSLayout。进行设计的一般步骤如下：1、设计一个板子的板框对于一个电路图来说，其切割边缘需要规划好尺寸。如果尺寸太小，切割到自己所需要器件的地方，则对自己的电路板进行了损坏，板子可能会导致测试数据的不准确性，甚至会因此而无法进行测试。尺寸如果过大，会导致成本的升高。同时板框也可以根据自己的特性喜好，进行一些创作。2、设计元件。设计元件首先要开始一个新的设计，建立一个新的设计文档。首先我们采用系统默认的启动文件来进行编辑，随后点击菜单栏中的封装编辑器进行绘图。3、设置设计规则打开软件以后，我们需要进入到工具栏当中，选择其菜单中的验证设计，此时会弹出一个窗口，我们可以点击此页面中的设置，如图1.3所示，去规范自己所需要的设计规则，从而进行后期的验证操作。图1.3设置页面4、设置最小网格，安排元器件的位置。5、配置元器件设备并计划总体布局。6、对元器件进行布线。7、检查规则冲突，一切通过方可送出制图。1.2.2PCB板设计规则电气相关安全间距：1.线宽根据PADSLAYOUT默认规则如图1.4所示中所提到建议的线宽为0.5公制，最小为0.5公制，最大为6公制，在此范围中的数值我们都是可采用的。对于导线的宽度来说，实体布置的导线越宽，那么此导线可以同时驱动更多的电流，但是如果线宽过于粗壮，就会导致材料的浪费；如果布置的线宽是十分窄的，会降低导通电量，从而影响测试数据的不准确性。图1.4线宽设置2.焊盘与焊盘之间的间距：对于焊盘之间的距离通常市面上的最小间距为0.2mm如图1.5所示。如果设置为0.2mm，对于焊工技术就十分有要求，虽然对于器件的占地面积大大减少了，但是也大大地增加了焊接失误的风险性，所以对于此次设计来说，所有焊盘的间距都大于了0.254公制，大大地提高了焊接的成功性。图1.5焊盘间距1.2.3模块分析1.64PIN插件底座对于64PIN插件底座如图1.6所示来说，先测量此器件的引脚距离，以及引脚数目等详细参数，随后开始PCB制图。第一步，创建一个新的设计文件，打开封装编辑器，随后有一个绘图工具栏，点击其中的端点，进行编辑。对于参数来说，我们选用长方形焊盘，并且贴妆面设置宽度为1.5公制，长度为4公制的长方形，采用1个钻孔；内层以及对面采用半径为0.75公制的圆形，钻孔数目为1公制圆形，有电镀涂层。制作完第一个后，点击编辑完成的端口进行分布以及重复，给每个端口标注好名字，利用2D线绘制外部边框，保存完毕，此器件便已设计完毕。图1.664PIN插件底座2.电阻电阻见图1.7所示。两个焊盘之间距离3公制。两个焊盘都为2公制的正方形贴妆面，此电阻无需进行钻孔。图1.7电阻3.芯片测试座芯片测试座见图1.8所示。可以同时测试两颗芯片，并且无须焊接芯片，可反复重新测试芯片，此器件由于是翻盖式，故对于其余器件来说，要与测试座保持一定的距离。对于芯片的测试座的贴妆面采用圆形，采用直径为1.1公制的圆形，钻孔尺寸为0.6公制，有电镀，内层以及对面采用直径1.1公制的圆形，钻孔尺寸为0.6公制。采用分布以及重复来设置数值，给每个引脚标上芯片引脚名字，随后利用2D线完成芯片测试座的外框，由于芯片测试座的占地面积较大，如果2D线框画的不够大，会导致芯片测试座无法打开，从而引起整块板子的测试失败，故2D线框预留的尺寸较为大一些。保存完毕，设计结束。图1.8芯片测试座1.电容电容PCB制图如图1.9。两个焊盘都为2公制的正方形贴妆面。两个焊盘距离为6公制图1.9电容5.继电器继电器见图1.10所示。此继电器共有8个引脚，为了在图上能够分辨其哪一个是一号脚，对于其上方采用了扇形图案，其贴装面设置为1.5公制*3公制的长方形，钻孔尺寸为1公制，其内层与对面也设置如此，利用分布与重复功能，上下距离为2.54公制，左右间距为7.62公制，当中的2D线框可以随意调节尺寸大小。图1.10继电器1.2.4电路图布线全局规划通过将芯片的焊接位改为可装有芯片的芯片测试底座，这样的话可以同时测试两颗芯片，并且芯片不固定在其测试底座中，可随时更换芯片进行测试。设计理念仍采用原先的设计电路图，采用双64PIN引脚插座，对两侧芯片同时进行测试，并对其PROG以及VCC端的继电器进行了归纳合并，由于BAT端测量的数值容易相互影响，故其继电器未进行合并，防止两颗芯片同时测量的数值的准确，具体PCB制图如图1.11所示。实体版图如图1.12所示。图1.11PCB制图图1.12加工好的PCB板1.3焊接电路板1.3.1焊接工具1.尖嘴镊子2.扁头镊子。用于拿取芯片及放置芯片3.电烙铁1.锡1.3.2焊接实体电路图对于焊接来说，操作流程中有以下几个注意点。第一，先焊取小物件。其原因有两个，第一是由于小型器件较普通尺寸器件更容易丢失，以免浪费物资等情况；第二点，如果先焊取普通尺寸器件，如果小型器件正好在普通尺寸器件的旁边，容易对其周围的器件造成损伤。第二，焊取的锡不能够长时间停留在焊烙铁上。如果焊烙铁长时间粘附着锡，容易让锡失活，导致焊接到板子上的时候如泥浆一样厚重，从而损坏PCB的外貌。第三，在进行焊锡的时候，我们可以先将一点锡迅速地焊到一个焊盘上，随后将器件进行固定，在固定的过程中，我们需要注意的是，用镊子夹器件时进行固定时，不能够随意移动，一定要等锡冷却下来，我们才可以放开镊子，不然就容易引起虚焊的情况，从而导致测试结果的不成功。第四，由于64PIN引脚插座的焊孔比较小，所以在焊锡的过程中，我们不能一味地追求焊牢固从而使两个焊盘黏连在一起，这样不仅会使实验数据的错误，同时还会导致芯片的烧毁。具体的焊接电路板正面如图1.13所见。焊接电路板反面如图1.14所见。图1.13焊接器件的实体电路板正面图1.14焊接器件的实体电路板反面1.4测试程序设计1.1.1分配引脚分配引脚编程代码如图1.15。因为我们将芯片的每个引脚都连接到了一个电源，所以对此我们通过将芯片的VIN引脚按照PCB所连接的线路布图，定义为了FOVI3的电源。BAT引脚，CHRG引脚，PROG引脚也是如此，分别定义为了FOVI0,2,4的电源。为了监测CHRG的状态，故给其一个5V输入电压，故该脚位定义为ZTL(也为了区别于芯片的输入电压),因为电路可以同时测试2颗芯片，有两个CHRG引脚，故第二颗芯片的引脚给他定义为ZTL，再对它进行定义。同时对于每一个芯片的每一个引脚都需要定义一个电源，因为是同时测试两颗芯片，没有办法给他输入相同的电源，这样容易让测试失败，故使用两个64PIN插件底座，而第二个芯片所要使用到的电源可以使用从FOVI8到15的电源，通过将双64PIN插件底座的电源一一对应，这样引脚定义部分便没有问题了。图1.15引脚定义1.1.2测试前清0测试前清0编程代码如图1.16。对于测试前必须要对数据进行清零步骤。防止因为前一次测试的结果对后一次测试的结果互相影响。而对于每一个电源来说，都要对他进行限额，例如VIN引脚，限制其输入电压最高为10V，而其输入电流的最高值为100MA。而对于继电器来说，把它全部设置为最初的状态，防止后期继电器状态的改变的混乱现象。图1.16清0程序1.1.3测试OS_VDD测试OS_VDD编程代码如图1.17。测试OS_VDD的目的是为了检测芯片引脚的好坏，给予芯片一个小的抽电流，设置VIN输入电流源为-500*10^-6微安也可以为100*10^-6微安，而之后的延时也是为了能够让电流充分进入芯片，防止出现数据不对或者数据不稳定的情况。而在10微秒中测试10次数据，也是为了能够稳定数据，因为我们能够同时测试两颗芯片，所以利用一个循环语句进行测试，最后将所有的数据放入一个集合中，并将数据一一显示出来，全部测试显示以后，将此程序的数据清0，并让继电器关闭，以免影响下一项测试。而在每一个的操作当中都要有一个延时状态，防止上一步的操作不稳定等问题。图1.17测试OS_VDD1.1.4测试充电时CHRG端电压VCHRG测试其CHRG端电压其实也是应用到了电压测量法，可以通过检测其CHRG端口的电压从而来判断其单节锂电池的电池容量[13]。测试充电时CHRG端电压VCHRG编程代码如图1.18。将继电器32，继电器41，继电器0，继电器15全部闭合，同时给予电压源为5V,并对每一个芯片的引脚进行限额，防止过大电流或者电压对芯片造成损坏。在对于单节锂电池充电的过程中，测试其CHRG端的电压，设置为在10ms采样10次，对数据的稳定性起着至关重要的作用。并且在每一个步骤之后都加上10ms的延时，也是为了操作能够彻底完成，以及后期的输入电压能够完全加上。图1.18测试充电时CHRG端电压VCHRG1.1.5测试充满电时CHRG端电压VCHRG测试充满电时CHRG端电压VCHRG编程代码如图1.19。测试当单节锂电池充满电以后，CHRG引脚端的电压，首先外部电源仍然存在，所以VIN引脚的设置电压仍然为5V,对于输入的电源电压来说，我们一定要严格按照标准，不可因为测试结果的大小而随意去改变电压输入值。而CHRG端的电压设置为5V（即ZTL设置为5V）的原因是此电路中有一个5K电阻，此电阻模拟的是一个小灯泡，模拟其通过的参数的变化。单节锂电池充满电以后，芯片会开始工作，不再给电池输入电流，所以CHRG的电流设置为0微安，为了以防万一，我们仍然需要对于其进行电压电流的限流。当CHRG端输入电流为0，测试其端口的电压值，并将其赋值显示。在测试结束后，把所