基于bqTINY－II的電源管理模塊設(shè)計

數(shù)字電源管理和模擬控制環(huán)路的DC/DC控制器設(shè)計

PAC模塊電源的工作原理

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(diǎn)，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。

l 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。

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(diǎn)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-II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。hqTINY-1I的功耗極低，當(dāng)系統(tǒng)未連接至電源時， bⅡ_rlNY．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.l 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AC接口、USB取電接口、充電使能信號CE、USB充電點(diǎn)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10 kΩ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)。

STATl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

測申池的電壓，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lO kΩ的負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器提供偏置。bqTlNY—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—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。

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1SETl、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。

hqTINY—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STATx上顯示出錯信息。