高效率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)與研究

1、學(xué)科分類(lèi)號(hào) 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目（中文）： 高效率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)與研究（英文）：The Design and Research of high efficiency mobile power supply 學(xué)生姓名：葉劍學(xué)號(hào)：系別：專(zhuān)業(yè)：指導(dǎo)教師：起止日期：年 月 日懷化學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))誠(chéng)信聲明作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的成果。對(duì)論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔(dān)。本科畢

2、業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年 月 日20目錄1 緒論11.1 本課題研究背景11.2 本課題研究的目的和意義21.3 本課題研究的總體思路21.4 本課題研究的主要任務(wù)22 移動(dòng)電源的研究和分析32.1 移動(dòng)電源的定義32.2 移動(dòng)電源的適用范圍32.3 移動(dòng)電源的工作原理42.3.1移動(dòng)電源的電芯4 2.3.2升壓系統(tǒng) 5 2.3.4 電池管理系統(tǒng) 53硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)63.1 ZS6366芯片介紹 63.2硬件設(shè)計(jì) 11 4 電路總結(jié) 154.1充電管理 154.2升壓功能 164.3 保護(hù)功能 174.4 電池電量智能顯示功能 184.5 手電筒功能184.6 系統(tǒng)其他控制功能 184.7

3、 硬件電路元件清單 17 5 電路測(cè)試 186 結(jié)論與展望18 7 結(jié)束語(yǔ) 19致 謝19參考文獻(xiàn)20高效率移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與研究n 摘 要截止2014年5月，中國(guó)智能手機(jī)用戶數(shù)已達(dá)到3.52億人。這充分表明了智能手機(jī)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ?。我們撥打電話，?tīng)歌、上網(wǎng)、看電影、導(dǎo)航、記事等等都需要用到它，尤其在目前3G和wifi等暢通的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，智能手機(jī)儼然已經(jīng)成為了生活中的“萬(wàn)能俠”。不過(guò)就是這樣的“萬(wàn)能俠”也有著致命的弱點(diǎn)：就是“電量不足”，這也是智能手機(jī)高速發(fā)展至今的一個(gè)技術(shù)瓶頸，而移動(dòng)電源的出現(xiàn)恰恰成智能手機(jī)的最佳后盾。目前不少智能手機(jī)的用戶，都會(huì)配備一個(gè)移動(dòng)電源，以備不時(shí)

4、之需。本文主要完成對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行硬件。硬件部分，本設(shè)計(jì)采用ZS6366移動(dòng)電源專(zhuān)用管理IC，集成了鋰電池充電管理，DC-DC升壓限流，電池電量顯示，LED手電筒狀態(tài)及按鍵控制為一體的便攜式電源管理IC。n 關(guān)鍵詞移動(dòng)電源 ; ZS6366The Design and Research of high efficiency mobile power supplyn AbstractAs of March 2014, the number of smart phone users in China has reached 352 million . This fully shows that th

5、e smart phone has become an indispensable tool in our daily lives. Call, listening to music, Internet, watching movies, navigation, Notepad, etc. need to use it, especially in 3G and wifi open network environment, the smartphone seems to have become a life "Getter Robo". But is this "

6、Mazinger has a fatal weakness:" low battery ", which is the smartphone rapid development of a technical bottleneck since precisely the emergence of mobile power into the best smartphone backing. At present many smartphone users, will be equipped with a mobile power, to prepare for continge

7、ncies.This thesis completed the hardware and software design of mobile power. n Key wordsMobile power supply ; the ZS6366n 1緒論n 1.1 本課題研究背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產(chǎn)品也越來(lái)越多，如筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、便攜式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備等。它們都要用到電池，但這些設(shè)備的原配電池都會(huì)因?yàn)殡姵厝萘康投荒軡M足設(shè)備的正常使用時(shí)間。當(dāng)出差或旅游時(shí)又是這些設(shè)備的工作高峰

8、期，經(jīng)常在關(guān)鍵時(shí)刻電池沒(méi)有電了，特別是在手機(jī)正在打電話時(shí)，數(shù)碼相機(jī)正在拍照時(shí)，PSP游戲機(jī)玩的正起勁時(shí)，PDA正在工作時(shí)等等，讓您感覺(jué)很無(wú)奈和無(wú)助。而您也不可能把每種設(shè)備都配一個(gè)備用電池，不但成本高而且也不方便。基于此，為了解決人們的這種煩惱問(wèn)題，移動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)電源最早出現(xiàn)在2001年的CES展覽上，那時(shí)只是在CES沙攤館的一地?cái)偹频恼褂[位上，是一個(gè)留學(xué)生用幾節(jié)AA電池再帶一個(gè)控制電路而拼湊起來(lái)的。當(dāng)時(shí)這個(gè)不起眼的東西，因它能在任何地方給數(shù)碼產(chǎn)品充電而引起許多參展商的關(guān)注。被探子們發(fā)現(xiàn)后，許多人士跟風(fēng)而上，大有要把盞這個(gè)新產(chǎn)品-移動(dòng)電源大炒一把之勢(shì)。移動(dòng)電源概念是隨著2012年數(shù)碼產(chǎn)品

9、的普及和快速增長(zhǎng)而發(fā)展起來(lái)的，其定義就是方便易攜帶的大容量隨身電源。從2012年起數(shù)碼產(chǎn)品功能日益多樣化，使用也更加頻繁，如何提高數(shù)碼產(chǎn)品使用時(shí)間,發(fā)揮其最大功用的問(wèn)題就凸顯重要了。移動(dòng)電源，就是針對(duì)并解決這一問(wèn)題的最佳方案。擁有一塊電源,就可以在移動(dòng)狀態(tài)中隨時(shí)隨地為多種數(shù)碼產(chǎn)品提供電能(供電或充電)。移動(dòng)電源一種集供電和充電功能于一體的便攜式充電器，可以給手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備隨時(shí)隨地充電或待機(jī)供電。一般由鋰電芯或者干電池作為儲(chǔ)電單元。區(qū)別于產(chǎn)品內(nèi)部配置的電池，也叫外掛電池。一般配備多種電源轉(zhuǎn)接頭， 通常具有大容量、多用途、體積小、壽命長(zhǎng)和安全可靠等特點(diǎn)，是可隨時(shí)隨地為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3 、 M

10、P4 、PDA 、掌上電腦、掌上游戲機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品供電或待機(jī)充電的功能產(chǎn)品。移動(dòng)電源的安全性也是一直以來(lái)受到人們重視的問(wèn)題，然而在市場(chǎng)雜亂無(wú)章的情況下移動(dòng)電源的不安全因素也是越來(lái)越多的。移動(dòng)電源一定要具備：短路、過(guò)充、過(guò)放、恒流、恒壓等保護(hù)措施，還應(yīng)有高性能電源管理技術(shù)。n 1.2 本課題研究的目的與意義鋰離子電池是一種應(yīng)用廣泛的可充電電池，它具有單體工作電壓高、體積小、重量輕、能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。此外，鋰離子電池還有自放電電流小、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。但是，鋰電池也是極其脆弱的，對(duì)鋰電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流及短路都會(huì)對(duì)其造

11、成不可逆轉(zhuǎn)的損害。因此，我們需要對(duì)其充放電過(guò)程進(jìn)行全面的保護(hù)。有了移動(dòng)電源可以解決眾多移動(dòng)設(shè)備的電源供給問(wèn)題，從而徹底解決缺電之苦，使工作和旅游無(wú)憂無(wú)慮。市面上有的產(chǎn)品容量高，單機(jī)容量可達(dá)14000mAh到20000mAh，智能電量指示，一般采用聚合物鋰離子電芯，廣泛用于5V的設(shè)備。n 1.3 本課題研究的總體思路鋰電池一般不宜采用全過(guò)程恒流充電方式，用開(kāi)關(guān)方式對(duì)電池進(jìn)行涓流/恒流/恒壓三段式充電。當(dāng)電池電壓低于3V 時(shí)進(jìn)行涓流充電。當(dāng)電池電壓高于3V 時(shí)進(jìn)行恒流充電；當(dāng)電池電壓接近4.2V 時(shí)進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)電流減小到恒流充電電流的1/10 時(shí)，4 個(gè)LED 燈全部

12、常亮，指示電池已經(jīng)充飽。充飽時(shí)，芯片可選擇電流進(jìn)一步減小到零，電壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有完備的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，避免因電池過(guò)度充電而損壞，并且充電器采用模塊式結(jié)構(gòu)和USB接口，可對(duì)手機(jī)、MP3、攝像機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。文中介紹設(shè)計(jì)的移動(dòng)電源，與普通的手機(jī)充電器相比，它的特殊之處除了智能充電管理外，充分利用升壓電路的智能性，設(shè)有完備的電壓電流檢測(cè)保護(hù)電路，并通過(guò)LED顯示電路的狀態(tài)，以LED的亮滅變化表示電池電量。還具備手電筒功能，這種便捷的移動(dòng)電源幾乎可以在任何地方補(bǔ)充電力，從而獲得通信的自由。n 1.4 本課題研究的主要任務(wù)結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和任務(wù)要求，我設(shè)計(jì)了一種基于多功能高性能的移動(dòng)電源。查閱相

13、關(guān)資料，完成系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)，并完成調(diào)試。在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)，滿足系統(tǒng)的要求。具備充電電路使用降壓方式，放電電路可使用升壓方式，帶有電量指示，對(duì)電池有防止過(guò)充、過(guò)放及輸出斷路等保護(hù)，適用于手機(jī)便攜充電，成本低、實(shí)用性較強(qiáng)、體積小和續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn)。n 2 移動(dòng)電源的研究和分析n 2.1 移動(dòng)電源的定義移動(dòng)電源一種集儲(chǔ)電、供電和充電功能于一體的便攜電池充電器?？梢越o手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等數(shù)碼設(shè)備隨時(shí)隨地充電或待機(jī)供電。有于技術(shù)不段發(fā)展，新的功能應(yīng)用也逐步增加，如LED照明。太陽(yáng)能電池技術(shù)的融合等一般由鋰電芯電池、太陽(yáng)能電池或者干電池作為儲(chǔ)電單元。區(qū)別于產(chǎn)品內(nèi)部配置的電池，移動(dòng)電源，也叫“外掛電池”、

14、“外置電池”、“后備電池”、“數(shù)碼充電伴侶”、“充電棒”、“充電寶”，由于適應(yīng)多種產(chǎn)品所以一般配備多種電源充電轉(zhuǎn)接頭，通常具有大容量、多用途、體積小、壽命長(zhǎng)和安全可靠等特點(diǎn)，是可隨時(shí)隨地為手機(jī)、MP3、MP4、PDA、掌上電腦、掌上游戲機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品供電或待機(jī)充電的功能產(chǎn)品。n 2.2 移動(dòng)電源適用范圍 隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產(chǎn)品也越來(lái)越多。1、通用性如筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、便攜式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備等。2、實(shí)用性電子設(shè)備的原配電池都會(huì)因?yàn)殡姵厝萘康投荒軡M足設(shè)備的正常使用時(shí)間。當(dāng)出差

15、或旅游時(shí)又是這些設(shè)備的工作高峰期，經(jīng)常在關(guān)鍵時(shí)刻電池沒(méi)有電了，特別是在手機(jī)正在打電話時(shí)，數(shù)碼相機(jī)正在拍照時(shí)，PSP游戲機(jī)玩的正起勁時(shí)，PDA正在工作時(shí)等等，讓您感覺(jué)很無(wú)奈和無(wú)助。移動(dòng)電源可以解決眾多移動(dòng)設(shè)備的電源供給問(wèn)題，從而徹底解決缺電之苦。移動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。此時(shí)移動(dòng)電源能解決你的煩惱。3、移動(dòng)性移動(dòng)電源的移動(dòng)性是指產(chǎn)品能在移動(dòng)狀態(tài)下（例如旅游，開(kāi)會(huì)，充電器不在身邊或不方便充電情況下）發(fā)揮其功用，即在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間不受局限地給數(shù)碼產(chǎn)品供電或充電，真實(shí)地給人以踏實(shí)感，使生活和工作品質(zhì)得以提升。n 2.3 移動(dòng)電源工作原理 儲(chǔ)電介質(zhì)一般采用鋰電電芯，因?yàn)殇囯婋娦倔w積相對(duì)小巧，容量大，市場(chǎng)流通

16、廣，價(jià)格適中，被廣泛用于數(shù)碼產(chǎn)品。鋰電的電壓在2.7-4.2V之間，電壓隨著電量的下降而下降。而2.7-4.2V的電壓是不能直接給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電的，因?yàn)閿?shù)碼產(chǎn)品的鋰電電壓也是2.7-4.2V,同電位的電壓之間是不能充電的。所以移動(dòng)電源向外輸出電能是必須要有升壓系統(tǒng)，把2.7-4.2V的鋰電電壓升壓到5V，這樣就可以給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電了。當(dāng)然，移動(dòng)電源不是一次性設(shè)備，它可以反復(fù)使用數(shù)百次以上。所以當(dāng)移動(dòng)電源電能使用完后，我們必須給移動(dòng)電源充電。其原理和給手機(jī)充電一樣。連接到5V的USB電腦接口或USB充電器上即可給移動(dòng)電源充電。所以移動(dòng)電源內(nèi)部還必須有充電管理系統(tǒng)。充電管理系統(tǒng)能根據(jù)鋰電的電壓

17、，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。過(guò)程有：預(yù)充，恒壓充電，和充電等。電 池升壓系統(tǒng)充電管理5V USB輸出5V充電器圖2.1移動(dòng)電源工作原理示意圖如圖2.1所示為移動(dòng)電源工作原理示意圖。移動(dòng)電源是由三個(gè)部分組成，電芯部分、電路部分（升壓系統(tǒng)和充電管理系統(tǒng)）和外殼部分。下面分別介紹每個(gè)組成部分。n 2.3.1 移動(dòng)電源電芯電芯是移動(dòng)電源的核心部分，也就是移動(dòng)電源的電量?jī)?chǔ)存器，其實(shí)也是由電池組成。常用的有聚合物鋰電、18650鋰電、AAA鎳氫電池。1. 聚合物鋰電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7 V，形狀較多，可定制，具有容量大，物美價(jià)廉，應(yīng)用廣泛，如：手機(jī)，MP4，便攜音箱。聚合物鋰電池是一種在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝的鋰離子

18、電芯，它比金屬外殼的電芯更安全，工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)高危的安全隱患。其電量密度高，厚度更小，重量更輕，而容量卻很大，很多手機(jī)電池也是采用聚合物電芯制成。其內(nèi)阻小，甚至低于35m，極大的減少了電池的自耗電，使得電量的利用率更高。另外，其形狀可以定制，根據(jù)外殼的外觀量身定做，很多外觀小巧的移動(dòng)電源都是采用軟包裝電芯。2. 18650鋰電：標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，具有體積小，容量大，主要用在筆記本電腦等高端產(chǎn)品。18650是一種鋼鋁殼電芯，其技術(shù)各方面都比較成熟。18650電芯是直徑為18mm，高度為65mm的圓柱型電池，其容量通常在 2000-3000mAh之間。市面上大部分移動(dòng)電源里使用的18650電芯都是

19、采用鈷酸鋰為正極材料的電芯，其單節(jié)標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7V，充電電壓為 4.2V。這種電芯相較于以前的鎳氫、鎳鎘電池電量容量更大，壽命也更長(zhǎng)，充放電的循環(huán)次數(shù)可達(dá)到500次以上，而且安全系數(shù)更高，無(wú)毒且環(huán)保。3. AAA 鎳氫電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓1.2V 。容量相對(duì)較小。應(yīng)該廣泛，家用電器，玩家的等。n 2.3.2 升壓系統(tǒng)：升壓主流技術(shù)基本采用DC to DC 的升壓方式。國(guó)內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在50-70%。臺(tái)灣的在75-80%。美國(guó)的相對(duì)會(huì)高些。也有降壓方案的，效率比較高，但對(duì)電芯的一致性要求高，所以幾乎很少采用。根據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率計(jì)算電源輸出電量：以5000mAh移動(dòng)電源為例：實(shí)際輸出容量=（

20、移動(dòng)電源容量5000mAhx3.7Vx轉(zhuǎn)化率85%）/5V=3145mAhn 2.3.3 充電管理系統(tǒng)：目前國(guó)內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，智能IC監(jiān)控整個(gè)充電過(guò)程。主流管理IC 有PT4056，PX40等。充電時(shí)間5000mA/h 大約8小時(shí)。過(guò)快充對(duì)電池的壽命有不良影響。外殼：1.塑膠殼：一般移動(dòng)電源均以ABS/PC料為主。2.金屬殼：航空鋁外殼等。n 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本方案采用的核心芯片是ZS6366。n 3.1 ZS6366芯片介紹ZS6366即是一款應(yīng)用于移動(dòng)電源，集成了開(kāi)關(guān)鋰電池充電管理、同步升壓輸出限流、電池電量檢測(cè)顯示、LED手電筒及按鍵控制為一體的便攜式電源管理IC。ZS63

21、66是以開(kāi)關(guān)方式進(jìn)行充電，集成了鋰電池充電IC的全部功能，包括涓流充電，恒流充電和恒壓充電全過(guò)程的充電方式。在性能上，浮充電壓精度在全溫度范圍可達(dá)±1%，并且具有充電電流溫度低，充電效率高等優(yōu)點(diǎn)，配合適當(dāng)?shù)耐鈬骷梢赃_(dá)到2A甚至更高的充電電流。DC/DC升壓功能是它的另一個(gè)功能特點(diǎn)， DC-DC升壓可達(dá)到±1%的精度，可以提供高達(dá)90%以上的升壓轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具有精確的升壓限流功能。ZS6366 配置了4個(gè)LED恒流驅(qū)動(dòng)端口，智能顯示電池電量，芯片內(nèi)置邏輯鎖定功能，防止電量指示的狀態(tài)不穩(wěn)，同時(shí)集成了電池真實(shí)電壓追蹤技術(shù)，跟蹤電芯內(nèi)部真實(shí)電量，防止充放電造成的電壓偏差。另外

22、，ZS6366具有多重保護(hù)設(shè)計(jì)，包括負(fù)載過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、軟啟動(dòng)保護(hù)等，同時(shí)芯片端口設(shè)計(jì)了高性能的ESD保護(hù)電路，使得該款芯片具有極好的安全性和可靠性。電池放電在2.9V時(shí)關(guān)斷，有效保護(hù)和延長(zhǎng)電池充放次數(shù)和壽命。該款芯片在電池供電的情況下，關(guān)閉系統(tǒng)后的靜態(tài)電流低于30uA，大大降低了靜態(tài)功耗，有效的延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。充電和升壓過(guò)程中對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行了電流跟隨補(bǔ)償，有效的彌補(bǔ)了由于電池內(nèi)阻造成的電池電量采樣有較大誤差的問(wèn)題，使得顯示的電量更精確。在充電狀態(tài)下，如果輸出USB同時(shí)接了負(fù)載，ZS6366的動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整功能會(huì)智能分配輸入電流優(yōu)先提供給負(fù)載，如果負(fù)載電流增大，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉充電，待負(fù)載

23、充電電流逐漸減小到一定值時(shí)再打開(kāi)電池充電，有效地限制了輸入電流，防止損壞供電的適配器或者USB。同時(shí)也可以通過(guò)按鍵切換充電或放電。軟啟動(dòng)功能避免了啟動(dòng)升壓時(shí)大電流對(duì)開(kāi)關(guān)MOS管的沖擊，有效的保護(hù)了外圍器件。電池電量顯示以及升壓電路可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)靈活控制。短按手動(dòng)開(kāi)關(guān)就可以啟動(dòng)升壓，如果是電源適配器掉電，芯片系統(tǒng)可自動(dòng)啟動(dòng)升壓系統(tǒng)，無(wú)需再按手動(dòng)開(kāi)關(guān)。電量顯示燈亮起后，8秒鐘左右將自動(dòng)熄滅，如果想提前熄滅電量顯示燈，可直接短按開(kāi)關(guān)，燈會(huì)馬上熄滅。在升壓狀態(tài)下，長(zhǎng)按手動(dòng)開(kāi)關(guān)兩秒鐘，馬上關(guān)閉升壓系統(tǒng)。  ZS6366主要特點(diǎn)：外圍電路簡(jiǎn)單;高輸入電壓10V;待機(jī)電流26uA;電池2.9V 過(guò)

24、放保護(hù);高精度電流采樣;軟啟動(dòng)功能; LED 手電筒功能;涓流/恒流/恒壓三段式充電;充電浮充電壓精度±1%;動(dòng)態(tài)路徑電流調(diào)整功能;輸入電源掉電電池自動(dòng)升壓供電;IC單升壓效率高達(dá)94%;除去前后端限流檢測(cè)控制電路損耗系統(tǒng)升壓效率高達(dá)92%;升壓限流輸出功能;負(fù)載過(guò)流及短路保護(hù);USB 輸入過(guò)壓保護(hù);按鍵切換充放電功能;空載檢測(cè)關(guān)斷功能;精確邏輯控制的四格電量顯示;先進(jìn)的電池真實(shí)電壓追蹤技術(shù)。ZS6366采用同步降壓方式來(lái)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，此做法的好處是可以將轉(zhuǎn)換效率提升至90%以上，并且能很好地規(guī)避線性管理IC的溫度高、電流無(wú)法做大的問(wèn)題。而在充電功能、升壓功能及保護(hù)功能上都做了非

25、常好的優(yōu)化，在做到快速充電的同時(shí)，提高了可靠性，降低了成本。圖3.1為基于ZS6366的典型應(yīng)用方案的系統(tǒng)框圖，圖3.2為充電過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意，圖3.3是一個(gè)典型應(yīng)用的電路圖。圖3.4為ZS6366充放電效率圖，圖3.5為ZS6366引腳排列圖。圖3.1 ZS6366芯片系統(tǒng)框圖圖3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖3.3 典型應(yīng)用電路圖圖3.4 充放電效率圖圖3.5 ZS6366引腳排列圖n 3.2 硬件設(shè)計(jì)電路原理圖如圖3.6所示。PCB圖如圖3.7所示。圖3.6 電路原理圖 圖3.7 電路PCB圖設(shè)計(jì)參數(shù)：VIN 端適配器給內(nèi)部電池恒流充電電流為1A，系統(tǒng)USB 輸出5V，系統(tǒng)USB 輸出最大電流為

26、1A。電阻的選擇：RS 和RCS 的精度影響采樣電流的精度，因此推薦使用1%精度的電阻；對(duì)于封裝，請(qǐng)根據(jù)電阻實(shí)際的功率計(jì)算，也可以用兩個(gè)并聯(lián)的形式分散熱量。例如：RS 在升壓時(shí)流過(guò)電流最大為2A，則它最大功耗是2×2×0.04=0.16WRFB1 和RFB2 的精度影響輸出電壓的精度，因此推薦使用1%精度的電阻，如擔(dān)心虛焊的問(wèn)題也可考慮RFB1 采樣兩個(gè)電阻并聯(lián)。電容的選擇：CBAT，CSYS，COUT 電容為大電流的濾波電容，要使用鉭電容，ESR 要控制在0.3 以內(nèi)，針對(duì)1A系統(tǒng)推薦使用47uF 的容值，在成本允許的條件下，增大CSYS 會(huì)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定；如果對(duì)升壓輸出

27、紋波要求不高，也可略微減小COUT；如果針對(duì)更大電流系統(tǒng)，推薦將電容相應(yīng)增大。請(qǐng)不要隨意將鉭電容改為瓷片電容，在補(bǔ)償不當(dāng)情況下會(huì)造成環(huán)路不穩(wěn)定。體積允許情況下可替換成相應(yīng)或更大容值的電解電容。任何情況下，選擇質(zhì)量較差的電容都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)性能下降甚至無(wú)法正常工作，所以請(qǐng)慎重選擇電容。U1(PMOS) ,U2(NMOS)的選擇：對(duì)于U1(PMOS)和U2(NMOS)，因?yàn)樗麄児ぷ髟陂_(kāi)關(guān)條件下，要考慮他們的導(dǎo)通電阻和寄生電容，導(dǎo)通電阻小，直流損耗??；寄生電容小，開(kāi)關(guān)損耗?。蝗欢@兩個(gè)量恰恰是矛盾的，即導(dǎo)通電阻越小，往往寄生電容越大，因此要采取折中的辦法選取。針對(duì)1A 的系統(tǒng)推薦使用導(dǎo)通電阻約為50

28、m 或更小，寄生電容小于600pF 的管子。請(qǐng)慎重選擇MOS，因?yàn)樗g影響系統(tǒng)的性能和壽命。U3,U4(PMOS)的選擇：對(duì)于U3 和U4，因?yàn)樗麄児ぷ髟谥绷鳁l件下，因此只需考慮導(dǎo)通電阻足夠小即可，推薦使用導(dǎo)通電阻小于40m 的管子。電感L1 的選擇：對(duì)于1A 充電1A 升壓的系統(tǒng)，推薦使用4.7uH 的電感，如果針對(duì)更大的電流，如1.5A 或2A，可以使用3.3uH 或2.2uH 的電感，注意最高頻率盡量控制不要超過(guò)1.5MHz。電感最好使用屏蔽電感，這樣會(huì)對(duì)布板和生產(chǎn)的要求降低。非屏蔽的電感會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電感繞線的方向會(huì)改變磁場(chǎng)的方向，干擾芯片的環(huán)路。如果一定要使用非屏蔽電感，需要SNS

29、 和BAT 走線盡量遠(yuǎn)離電感，同時(shí)保證電感繞線方向是一致的，如果無(wú)法保證，則電感兩個(gè)方向都要經(jīng)過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)和試產(chǎn)，以驗(yàn)證板子的可靠性才可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。升壓帶載測(cè)試：因?yàn)樾酒黾恿藘杉?jí)短路保護(hù)，所以對(duì)升壓帶載測(cè)試時(shí)有一定要求：如果USB 接大電容負(fù)載（某些型號(hào)的負(fù)載儀電容非常大），有可能誤判短路保護(hù)，如果一定要用這種情況，可以在SYS 到USB+端串接一個(gè)5K 左右電阻。用電壓源模擬電池時(shí)，各種型號(hào)電源的瞬態(tài)響應(yīng)不同，電源線的阻抗也可能比較大，在升壓帶CC 或CR 負(fù)載或者帶載啟動(dòng)時(shí)，也有可能出現(xiàn)短路保護(hù)的情況，帶CV 負(fù)載不會(huì)出現(xiàn)這種情況。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于接的是電池，CC 或CR 的情況會(huì)改

30、善，CV 仍然不會(huì)有問(wèn)題。一般便攜設(shè)備輸入電容都比較小，同時(shí)它們會(huì)檢測(cè)輸入電壓，如果輸入電壓不夠時(shí)不會(huì)充電，因此表現(xiàn)的是類(lèi)似CV 的特性，所以實(shí)際移動(dòng)電源成品給便攜設(shè)備充電時(shí)不會(huì)出現(xiàn)誤判短路的情況。如果確實(shí)需要帶這種負(fù)載，可以接CTR改善帶載情況，推薦取值10nF，取100nF 帶載效果會(huì)更優(yōu)，但是短路保護(hù)效果會(huì)變差，建議謹(jǐn)慎使用，更大的取值強(qiáng)烈不推薦。PCB布板注意事項(xiàng)大電流回路大電流回路指開(kāi)關(guān)時(shí)走大電流的器件和走線，在此系統(tǒng)中由U1U4，L1，RS，RCS，CBAT，CSYS，COUT 及他們之間的連線構(gòu)成，他們的布線要盡量寬和短，高頻開(kāi)關(guān)（電流不連續(xù)）通路千萬(wàn)不能過(guò)通孔，及CBAT，CS

31、YS，U1，U2，L1，RS 必須在PCB 的同一面，且要放在一起。SYS 和PGNDZS6366 的SYS 和PGND 引腳分別是芯片驅(qū)動(dòng)部分的電源和地，在開(kāi)關(guān)工作時(shí)會(huì)有瞬間大電流流入和流出，因此布板時(shí)CSYS 要盡量靠近芯片的SYS 和PGND，SYS 和PGND 分別單獨(dú)抽頭引線到CSYS的正端和負(fù)端，中間不能穿過(guò)大電流回路，布線盡量寬和短，盡量不要過(guò)通孔。AGNDZS6366 的AGND 是芯片及系統(tǒng)的模擬地，小信號(hào)部分都要引到這個(gè)地，如：CTAP/CVDL/RFB2 的負(fù)端，之后模擬地要單獨(dú)引線到CSYS 的負(fù)端，中間不能穿過(guò)大電流回路。AGND 要遠(yuǎn)離高頻信號(hào)線，如PGATE，NG

32、ATE，SW 等。SNS 和BATSNS 和BAT 采樣充電電流，要從RS 正負(fù)端單獨(dú)引線并行到芯片，中間不能引線到其它部分。SNS 和BAT 要遠(yuǎn)離高頻信號(hào)線或通過(guò)地線隔離，如PGATE，NGATE，SW 等。CS 和CSNCS 和CSN 采樣負(fù)載電流，要從RCS 單獨(dú)引線，具體與SNS 和BAT 同理。CLM 和CSREFCLM 和CSREF 是模擬弱信號(hào)，要遠(yuǎn)離高頻信號(hào)。其它說(shuō)明（1） RFB1 正端要從COUT 正端節(jié)點(diǎn)引出（2） RLED 正端要從CSYS 正端節(jié)點(diǎn)引出（3） RFB1，RFB2，RVDL，CVDL，R4，CRCS，要靠近芯片（4） RGND 靠近CSYS 負(fù)端（5）

33、 R3 靠近RCS 負(fù)端（6） 芯片整體部分以模擬信號(hào)為主，因此盡量遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，若無(wú)法遠(yuǎn)離，請(qǐng)以地線隔離為佳n 4 電路總結(jié)n 4.1 充電管理（1） 充電功能ZS6366 用開(kāi)關(guān)方式對(duì)電池進(jìn)行涓流/恒流/恒壓三段式充電。當(dāng)電池電壓低于3V 時(shí)進(jìn)行涓流充電；當(dāng)電池電壓高于3V 時(shí)進(jìn)行恒流充電；當(dāng)電池電壓接近4.2V 時(shí)進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)電流減小到恒流充電電流的1/10 時(shí)，4 個(gè)LED 燈全部常亮，指示電池已經(jīng)充飽。充飽時(shí)，芯片可選擇電流進(jìn)一步減小到零，維持浮充電壓；或者終止充電，等待電池電壓降低到一定電壓(VRECHG)時(shí)進(jìn)行復(fù)充(Recharge)。（2）充電電流

34、設(shè)定對(duì)電池充電的電流大小由芯片的SNS 引腳和BAT 引腳之間的采樣電阻RS 來(lái)設(shè)定。恒流充電電流ICharge由下式?jīng)Q定：涓流充電電流為ICharge 的1/8，充飽判斷電流為ICharge 的1/10。（3）充電軟啟動(dòng)功能當(dāng)電池直接進(jìn)入恒流充電時(shí)，ZS6366 會(huì)控制充電電流逐漸增大到設(shè)定值，避免了瞬間大電流沖擊引起的各種問(wèn)題。（4） 動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整功能ZS6366 具有動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整功能，保證了USB 端負(fù)載的優(yōu)先供電。如果充電過(guò)程中，輸出USB 同時(shí)帶有負(fù)載，ZS6366 會(huì)控制系統(tǒng)給電池充電同時(shí)供電給負(fù)載；如果VCCS>3.7mV，ZS6366 會(huì)控制系統(tǒng)優(yōu)先供電給負(fù)載，同時(shí)逐漸減

35、小充電電流直到不充電，讓全部輸入電流供給負(fù)載，同時(shí)達(dá)到了輸入限流的效果，如果VCCS<3.2mV，芯片會(huì)控制恢復(fù)充電。（5） 按鍵檢測(cè)功能當(dāng)移動(dòng)電源充電時(shí)，短按按鍵，芯片會(huì)控制關(guān)閉充電，檢測(cè)是否有便攜設(shè)備接在USB 口，如果有則優(yōu)先對(duì)其供電，如果沒(méi)有，經(jīng)過(guò)16s 后恢復(fù)充電。n 4.2 升壓功能ZS6366 具有同步升壓功能，可將單節(jié)鋰電池2.9V 到4.2V 之間的電壓升壓到5V 輸出，給負(fù)載供電。電池電壓低于2.9V 時(shí)，芯片系統(tǒng)將判斷為電池電量不足，停止升壓。當(dāng)VIN 電壓低于3.3V 時(shí)，系統(tǒng)將判斷為電源適配器掉電，并啟動(dòng)升壓電路。（1）升壓限流功能升壓時(shí)，ZS6366 通過(guò)CS

36、 和CSN 檢測(cè)負(fù)載電流，如果負(fù)載電流逐漸增加，到達(dá)限流值時(shí)輸出電壓會(huì)下降，直到不升壓（同步整流PMOS常開(kāi)）。限流值的計(jì)算：同時(shí)要滿足:直觀的講，充電電流和升壓電流是相關(guān)的，如果充電電流設(shè)定為1A，在電池電壓最低的情況下升壓，升壓時(shí)最多能輸出1A 左右的電流。如果想增大升壓輸出電流，則充電電流也要相應(yīng)增加。（2）放電過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能負(fù)載電流超過(guò)限流電流繼續(xù)增大，當(dāng)CS 與CSN 兩端的壓差超過(guò)60mV，且維持時(shí)間超過(guò)1S，則系統(tǒng)啟動(dòng)負(fù)載過(guò)流保護(hù)功能，芯片關(guān)閉USB 的輸出通路，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。（3）升壓軟啟動(dòng)功能芯片有升壓軟啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)升壓時(shí)，電流會(huì)逐漸增加到最大值，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)

37、定。（4）空載檢測(cè)功能當(dāng)CS 與CSN 兩端的壓差低于2mV 且持續(xù)16s 時(shí)，芯片判斷外部負(fù)載消失，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。n 4.3 保護(hù)功能（1） 充電USB短路保護(hù)當(dāng)充電時(shí)USB 發(fā)生短路，芯片會(huì)關(guān)閉USB 輸出，熄滅電量指示燈，同時(shí)繼續(xù)為電池充電；短路解除后，短按按鍵可以解除短路保護(hù)狀態(tài)，USB 輸出打開(kāi)，電量指示燈亮起，16s 后恢復(fù)充電。（2）升壓USB 短路保護(hù)當(dāng)電池升壓時(shí)，USB 發(fā)生短路，芯片會(huì)關(guān)閉升壓，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；短按按鍵可以解除短路保護(hù)狀態(tài)。（3） 二級(jí)短路保護(hù)在某些極限狀態(tài)下發(fā)生USB 短路，芯片檢測(cè)不到短路狀態(tài)，但仍然可以關(guān)閉USB 輸出，短路解除后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，保護(hù)

38、器件不被損壞，電池端也不會(huì)出現(xiàn)大電流，保護(hù)IC 不會(huì)保護(hù)。（4） USB 過(guò)壓保護(hù)輸入電壓過(guò)高，超過(guò)6V 時(shí)，芯片會(huì)控制關(guān)閉USB 輸出，防止接在USB 的便攜設(shè)備因?yàn)檫^(guò)壓而損壞，指示燈閃爍，提示輸入電壓異常，充電仍然正常進(jìn)行。輸入電壓正常后狀態(tài)解除。n 4.4 電池電量智能顯示功能ZS6366 可以恒流驅(qū)動(dòng)4 路LED 燈，每路電流為2.5mA，以LED 燈的亮滅變化表示電池電量。（1） 電池充電顯示電池電壓電量LED025LED050LED075LED100頻率<3.70V0%25%閃爍滅滅滅1Hz3.70V3.82V25%50%常亮閃爍滅滅1Hz3.82V4.03V50%75%常亮

39、常亮閃爍滅1Hz4.03V4.2V75%100%常亮常亮常亮閃爍1Hz4.2V100%常亮常亮常亮常亮（2）電池放電顯示電池電壓電量LED025LED050LED075LED100頻率<4.03V75%100%常亮常亮常亮常亮3.82V4.03V50%75%常亮常亮常亮滅3.70V3.82V25%50%常亮常亮滅滅2.95V3.70V1%25%常亮滅滅滅<2.95V<1%閃爍4s滅滅滅滅4Hzn 4.5 手電筒功能長(zhǎng)按按鍵可以控制WLED引腳切換高低電平，驅(qū)動(dòng)外部MOS點(diǎn)亮或關(guān)閉手電筒。如果不需要此功能，也可將WLED腳接地屏蔽此功能。n 4.6 系統(tǒng)其他控制功能當(dāng)一個(gè)燈以4

40、Hz 頻率開(kāi)始閃爍時(shí)，表示系統(tǒng)內(nèi)部電池電量不足（即電池電壓已經(jīng)低于2.9V），需要充電，這時(shí)升壓系統(tǒng)已經(jīng)關(guān)閉，LED 燈閃爍4 秒鐘后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在無(wú)電源的情況下，短按按鍵，啟動(dòng)5V 升壓系統(tǒng)給負(fù)載供電，同時(shí)LED 燈顯示當(dāng)前電量，維持時(shí)間約為8 秒鐘，之后LED 燈自動(dòng)關(guān)閉，如果在8 秒鐘內(nèi)燈沒(méi)有熄滅的時(shí)候再一次短按手動(dòng)開(kāi)關(guān)，則燈會(huì)馬上關(guān)閉。n 4.7硬件電路元件清單系統(tǒng)硬件電路元件清單如表4.7.1所示。表4.7.1 硬件電路元件清單器件值元件名標(biāo)號(hào)封裝屬性數(shù)量NMOSFETMOS管2N7002sot-23NMOSFET147uF電容CBAT, CSYS3528CAP321uF電容

41、CCTR0805CAP0110uF電容CIN1206CAP0147uF電容COUT0805CAP0110nF電容CREF, CTAP0805CAP0210nF電容CSNSRC0603CAP1100nF電容CVDL0805CAP01LED1 1LED燈D1, D2, D3, D40805AKLED1 14DIODE1 1二極管DWLEDDIODE0.2DIODE1 11ZS6366ZS6366IC1ssop-24ZS63661JP2插針JP, JP1SIP2JP222.2uH電感L1INDM122122X70NINDUCTOR 11USBUSB端口OUTUSBfCON41PMOSFETMOS管P

42、2SOT-23PMOSFET1ZS3400ZS3400Q1, Q2sot-23NMOSFET20R/NC電阻R435v0805RES2 111K/NC電阻RCLM0805RES2 1118電阻RCS1206RES2 11300K電阻RFB10805RES2 11120K電阻RFB20805RES2 11270k電阻RHOFF0805RES2 111K電阻RLED, RPEF0805RES2 1251電阻RLOFF, RWLED0805RES2 1210m電阻RS0603RES2 1110電阻RSNSRC0805RES2 11SW TAP開(kāi)關(guān)S1SW/4/SMT2SW-PB1ZS8205ZS82

43、05U1ssop-6ZS82051ZS4053ZS4053U2WSSOP-8ZS40531USBUSB端口VCCUSBfootHeader 51n 5 電路測(cè)試到此，本文已完成基于ZS6366的移動(dòng)電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。電池電量顯示：用4個(gè)發(fā)光LED燈顯示。USB過(guò)壓保護(hù)功能，輸入電壓過(guò)高，超過(guò)6V時(shí)，芯片控制關(guān)閉USB輸出手持便攜設(shè)備體積小：所用的器件封裝都很小，均采用貼片封裝 移動(dòng)電源的本章節(jié)將就已設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)際模擬測(cè)試。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和模擬測(cè)試，本系統(tǒng)能夠完成任務(wù)書(shū)要求。所以，本系統(tǒng)是一個(gè)合格的移動(dòng)電源系統(tǒng)。n 6 結(jié)論與展望本系統(tǒng)可以有以下幾項(xiàng)改進(jìn)： (1)可以增加溫度檢測(cè)。充電的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生熱量，在有些特殊條件下，熱量的增加，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性。溫度檢測(cè)可以有如下方法： 用熱敏電阻，根據(jù)熱敏電阻阻值的