孟上海，董林璽

(杭州電子科技大學微電子CAD 所，杭州310018)

隨著科學技術的發(fā)展，便攜式設備在不斷推陳出新，鋰電池因其體積小、能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點，近年來已經(jīng)成為便攜式設備的首選電源［1］。鋰電池的特性以及應用環(huán)境的需求，對便攜式設備電源管理［2］方案的設計提出了更高的要求，特別是鋰電池充電電路。鋰電池充電技術已非常成熟，以手機電池充電器為代表的普通的鋰電池充電電路，在日常中得到了廣泛的應用，但不具備智能充電管理功能。本文設計了一種以ASC8511 鋰電池充電電路為核心的便攜式設備電源管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)鋰電池充電的智能管理。系統(tǒng)輸出電壓可配置等，可為電源電壓為5V、6V、12V 等不同要求的便攜式設備供電。

1 ASC8511 性能測試

ASC8511 是開關式、同步整流單節(jié)鋰電池充電管理芯片，采用峰值電流模式控制的BUCK 拓撲結構，最大充電電流可達2.5A。ASC8511 通過恒壓控制環(huán)和恒流控制環(huán)來調(diào)整鋰電池充電電壓和恒流充電電流。ASC8511 集成電池過溫保護、充電時間限制、輸出短路等保護功能，通過NTC 檢測電池溫度，可以實現(xiàn)電池過熱保護功能，2 個LED 指示燈指示電池充電狀態(tài)。ASC8511 采用16 腳T-SSOP 封裝。ASC8511 應用電路如圖1 所示。

圖1 ASC8511 應用電路

1.1 可編程充電電流測試

通過設置RSNS和RISET的值可以設定電池恒流充電電流，RISET為連接ISET管腳的外接電容，首先選擇檢流電阻RSNS。為了兼顧電流檢測精度和充電效率，RSNS上的壓降VSNS最好設定在100 mV ～200 mV 之間。

式中，ICC為恒流充電電流。

如果RSNS計算值不是標準電阻值，則取最接近的電阻值。得到RSNS的值后，可通過下式計算RISET:

VISET是ISET管腳的電壓，內(nèi)部設定為1. 5 V。KISET是電流檢測系數(shù)，典型值為2 000/RSNS。例如，如果設置恒流充電電流2 A，選擇VSNS=200 mV，通過式(1)可得到RSNS=0.1 Ω。然后通過式(2)可得到RISET=15 kΩ。充電截止電流ITERM/恒流充電電流ICC=1/8，KTERM=1/8，即充電截止電流為恒流充電電流的1/8。

測試條件:取3 片芯片，分別設置恒流充電電流ICC為600 mA、1 A、1.5 A，取RSNS=0.1 Ω，由計算式(2)得，RISET分別為50 kΩ、30 kΩ、20 kΩ，充電截止電流ITERM分別為75 mA、125 mA、187.5 mA。分別在芯片工作在預充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段直至充電截止，測量RISET的電壓VISET、恒流充電電流ICC、充電截止電流ITERM。

如表1 所示，測得的恒流充電電流和充電截止電流與理論值接近，算得KTERM范圍為1/8.41 ～1/7.52，與理論值接近。

表1 恒流充電電流和充電截止電流測試結果

1.2 充電過程測試

完整的充電過程可分為3 個階段:預充電、恒流充電(CC)［3］、恒電壓充電［4］(CV)。當電池電壓低于VLOWV，對電池進行涓流充電［5］，即預充電，充電電流為恒流充電的1/5。當電池電壓高于VLOWV，將進入恒流充電階段。在恒流充電階段，充電電流恒定［6］，電池電壓會快速上升。當充電電流開始下降，充電進入恒壓充電階段。當充電電流下降到恒流充電電流的1/8，ASC8511 給出“充電結束”(EOC)信號。

測試條件:輸入電壓5.0 V，外接電池電壓2.75 V，RISET=30 K，即設定恒流充電電流為1 A，預充電電流為200 mA，充電截止電流為125 mA。

充電過程如圖2 所示:

0 ～T1:預充電階段，充電狀態(tài)指示燈紅燈點亮。充電電流為恒流充電電流的1/5，即200 mA。

T1～T2:恒流充電(CC)階段，ASC8511 以恒定的恒流充電電流給電池充電，電池電壓不斷升高。電池恒流充電電流為0.98 A，接近理論值。

T2～T3:恒壓充電(CV)階段，電池電壓4.17 V恒定不變，充電電流不斷降低。

T3時刻:充電電流下降到設定的充電截止電流125 mA，充電過程結束，紅燈熄滅，充滿狀態(tài)指示燈綠燈點亮。

ASC8511 的預充電功能、恒流充電功能、恒壓充電功能性能優(yōu)越，滿足系統(tǒng)設計要求。

圖2 ASC8511 充電過程曲線圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 供電方式

便攜式設備可能工作在有市電電源或無市電電源的環(huán)境下，為保證在不同的工作環(huán)境下都可為鋰電池充電，該系統(tǒng)中設計了3 種供電方式為鋰電池充電電路供電，以保證鋰電池電壓能夠驅動升壓電路輸出穩(wěn)定5 V 電壓，使便攜式設備正常工作。

3 種供電方式分別為:5 V 電源適配器供電、USB 接口供電、太陽能電池板供電，可根據(jù)具體工作環(huán)境選擇供電方式。其中，5 V 電源適配器供電方式，在市電環(huán)境下即可工作，簡單方便;USB 接口供電方式，電腦、移動電源等帶有USB 接口的設備都作為供電電源;太陽能電池板供電方式，在工作現(xiàn)場沒有市電電源及帶有USB 接口設備的情況下，在一些極端環(huán)境下可為設備供電。其中，5 V 電源適配器和USB 接口都提供5 V 電壓，可統(tǒng)一為一個選擇接口;太陽能電池板電壓為6 V，作為另一選擇接口?？蓳軇舆x擇開關，選擇供電方式，5 V 電源適配器或USB 接口供電，選擇5 V/USB 檔;太陽能電池板供電，選擇SOLAR 檔。

2.2 可編程充電電流電路

該系統(tǒng)采用的太陽能電池板型號為RPS-2.5-12M，指標為:標準功率2.5 W，峰值電壓6 V，峰值電流0.43 A，尺寸200 mm×200 mm×3.2 mm。單片電池板功率過小，且峰值電流過小，即充電電流過小，則鋰電池充電時間會很長。為驅動充電管理芯片工作以及縮短充電時間，將兩片電池板并聯(lián)［7］為充電電路供電，可解決功率及峰值電流過小的問題，最大電流為0.86 A，即采用太陽能電池板給鋰電池充電時，充電電流要小于0.86 A。

為解決不同供電方式情況下，充電電流不同的要求，應用ASC8511 的可編程充電電流功能，設計了簡單實用的可編程充電電流電路，如圖3 和圖4所示。圖3 中可編程充電電流電路1，默認充電電流為0.75 A，可撥動充電電流選擇開關改變ISET引腳的電阻阻值，選取特定的充電電流檔位，可選充電電流1 A、1.5 A、2 A 和2.4 A;該電路可選充電電流檔位多，可方便快捷的實現(xiàn)充電電流的切換調(diào)節(jié)，但需撥動開關選取電流檔位，不具備充電電流的智能切換調(diào)節(jié)。圖4 中可編程充電電流電路2，可實現(xiàn)充電電流的智能切換調(diào)節(jié)，方便、快捷、無需手動調(diào)節(jié)。電路2 包含2 個可選電流檔位，可根據(jù)需要增加一組或多組該電路，只需選擇合適的電阻、設置不同的控制信號即可增加可選充電電流檔位。

圖3 可編程充電電流電路1

圖4 可編程充電電流電路2

該系統(tǒng)采用如圖4 所示的可編程充電電流電路2，可方便地實現(xiàn)不同供電方式下，充電電流的切換調(diào)節(jié)，滿足充電要求［8］，同時兼顧太陽能電池板供電時充電電流不能過大的設計要求。使用5 V 電源適配器或USB 接口供電時，DC5V/VUSB 為高，三極管T1和T2導通，ASC8511 的ISET 腳電阻RISET=20 kΩ，由式(2)可得ICC=1.5 A;使用太陽能電池板供電時，DC5V/VUSB 為低，三極管截止，RISET=40 kΩ，ICC=0.75 A，即可滿足充電電流小于0.86 A 的要求。

2.3 升壓電路

在工作時，隨著放電，鋰電池的輸出電壓會從最高的4.2 V 慢慢下降到3.0 V。對于這樣寬的輸入電壓變化，通常都會有升壓電路輸出固定電壓為便攜式設備供電。便攜式設備常用的電源電壓為5 V、12 V等，本系統(tǒng)實現(xiàn)了固定輸出5 V 的升壓電路，為便攜式設備提供電源電壓。

MC34063［9］是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關，能輸出1.5 A 的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

MC34063 的DC-DC 升壓式轉換應用如圖5 所示，其輸出電壓值可通過改變R3、R4電阻值來進行調(diào)整，其輸出電壓符合以下公式:

分別取R3、R4為30 kΩ、10 kΩ，由式(3)得，輸出電壓VOUT=5 V。改變R3、R4的值，VOUT相應改變，可輸出固定6 V、12 V 等電壓，該電路可方便的應用到5 V、6 V、12 V 等不同電源電壓的便攜式設備。

電路中限流電阻取值為0.1 Ω，因此輸入電流被限流在0.3 V/0.1 Ω=3 A，改變限流電阻即可改變限流值。

圖5 MC34063 應用電路

2.4 電池電壓過低提示電路

本系統(tǒng)設計了一種簡單實用的方法，通過電壓檢測芯片XC6101A035 測試鋰電池電壓［10］，來提示電池電壓是否過低，警告用戶及時充電［11］，以免電池電壓過低而影響便攜式設備的正常工作。XC61 系列芯片是一系列高精度、低功耗的電壓檢測芯片，可根據(jù)檢測電壓VDF選取不同型號的芯片。本系統(tǒng)使用的鋰電池，有效電壓最低為3.0 V，為保證便攜式設備可正常工作，設定過低電壓提示值為3.2 V，故選擇檢測電壓VDF為3.2 V 的XC6101A032。電源電壓與限流電阻、LED 發(fā)光管、XC6101A032 輸出電壓形成指示回路。當電池電壓高于3.5 V 時，XC6101A032 輸出電壓為電池電壓，LED 熄滅;當電池電壓低于3. 2 V 時，XC6101A032 輸出電壓為0，LED 點亮，發(fā)出電池電壓過低提示，告知操作人員及時充電。

3 結束語

鋰電池供電的便攜式設備中，電源管理系統(tǒng)是整個設備能夠正常工作的基礎，鋰電池充電電路又是電源管理系統(tǒng)的關鍵，因而鋰電池充電管理芯片的選擇至關重要。應用ASC8511 芯片僅須少量的外圍元件，就可實現(xiàn)低成本的單節(jié)鋰電池充電方案。ASC8511最高可達2.5 A 的充電電流，可大大縮短充電時間，實現(xiàn)鋰電池的快速充電。同時，具有較寬的工作溫度范圍以及NTC 溫度檢測功能，可保證該鋰電池充電電路可在不同的環(huán)境下工作。以ASC8511 為基礎的鋰電池充電電路，可選擇3 種供電方式，靈活方便;同時，在3 種供電方式下，可智能地實現(xiàn)充電電流的切換調(diào)節(jié)，滿足太陽能電池板供電時充電電流不能過大的要求。配合MC34063 升壓電路的應用，在鋰電池有效工作電壓條件下，可穩(wěn)定輸出5V 電壓，為便攜式設備供電;可改變升壓電路反饋電阻的阻值調(diào)節(jié)輸出電壓。該電源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)鋰電池的智能快速充電，輸出5 V 電壓可為多種便攜式設備供電，電池電量過低警報提醒用戶及時充電。

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