高效率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)與研究

PAGEPAGE20學(xué)科分類號(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）：TheDesignandResearchofhighefficiencymobilepowersupply學(xué)生姓名：葉劍學(xué)號(hào)：系別：專業(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)。本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年月日目錄 1緒論 1 1.1本課題研究背景 1 1.2本課題研究的目的和意義 2 1.3本課題研究的總體思路 2 1.4本課題研究的主要任務(wù) 2 2移動(dòng)電源的研究和分析 3 2.1移動(dòng)電源的定義 3 2.2移動(dòng)電源的適用范圍 3 2.3移動(dòng)電源的工作原理 4 2.3.1移動(dòng)電源的電芯 42.3.2升壓系統(tǒng)………………………52.3.4電池管理系統(tǒng)……………5 3硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 6 3.1ZS6366芯片介紹………………6 3.2硬件設(shè)計(jì)……………………………114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硬件電路元件清單……………………175電路測(cè)試…………………18 6結(jié)論與展望 187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钪斜夭豢缮俚墓ぞ摺Ｎ覀儞艽螂娫挘?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)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。關(guān)鍵詞移動(dòng)電源;ZS6366TheDesignandResearchofhighefficiencymobilepowersupplyAbstractAsofMarch2014,thenumberofsmartphoneusersinChinahasreached352million.Thisfullyshowsthatthesmartphonehasbecomeanindispensabletoolinourdailylives.Call,listeningtomusic,Internet,watchingmovies,navigation,Notepad,etc.needtouseit,especiallyin3Gandwifiopennetworkenvironment,thesmartphoneseemstohavebecomealife"GetterRobo".Butisthis"Mazingerhasafatalweakness:"lowbattery",whichisthesmartphonerapiddevelopmentofatechnicalbottlenecksincepreciselytheemergenceofmobilepowerintothebestsmartphonebacking.Atpresentmanysmartphoneusers,willbeequippedwithamobilepower,toprepareforcontingencies.Thisthesiscompletedthehardwareandsoftwaredesignofmobilepower.KeywordsMobilepowersupply;theZS63661緒論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?；诖耍瑸榱私鉀Q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、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。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)。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。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。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)。2移動(dòng)電源的研究和分析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”、“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。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。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，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)電池升壓系統(tǒng)充電管理5VUSB輸出5V充電器如圖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。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3.7V，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35mΩ，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電芯都是采用鈷酸鋰為正極材料的電芯，其單節(jié)標(biāo)稱電壓為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。2.3.2升壓主流技術(shù)基本采用DCtoDC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=（移動(dòng)電源容量5000mAhx3.7Vx轉(zhuǎn)化率85%）/5V=3145mAh2.3.3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。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本方案采用的核心芯片是ZS6366。3.1ZS6366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。ZS6366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，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)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3.1ZS6366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3.5ZS6366引腳排列圖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2×2×0.04Ω=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0.3Ω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?。患纳娙菪?，開(kāi)關(guān)損耗??；然而這兩個(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50mΩ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40mΩ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U1~U4，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，CSYS，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，NGATE，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）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4電路總結(jié)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。4.2升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)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)。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)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。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。電池充電顯示電池電壓電量LED025LED050LED075LED100頻率<3.70V0%~25%閃爍滅滅滅1Hz3.70V~3.82V25%~50%常亮閃爍滅滅1Hz3.82V~4.03V50%~75%常亮常亮閃爍滅1Hz4.03V~4.2V75%~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3.82V~4.03V50%~75%常亮常亮常亮滅3.70V~3.82V25%~50%常亮常亮滅滅2.95V~3.70V1%~25%常亮滅滅滅<2.95V<1%閃爍4s滅滅滅滅4Hz4.5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。4.6系統(tǒng)其他控制功能當(dāng)一個(gè)燈以4Hz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。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CCTR0805CAP0110uF電容CIN1206CAP0147uF電容COUT0805CAP0110nF電容CREF,CTAP0805CAP0210nF電容CSNSRC0603CAP1100nF電容CVDL0805CAP01LED11LED燈D1,D2,D3,D40805AKLED114DIODE11二極管DWLEDDIODE0.2DIODE111ZS6366ZS6366IC1ssop-24ZS63661JP2插針JP,JP1SIP2JP222.2uH電感L1INDM122122X70NINDUCTOR11USBUSB端口OUTUSBfCON41PMOSFETMOS管P2SOT-23PMOSFET1ZS3400ZS3400Q1,Q2sot-23NMOSFET20R/NC電阻R435v0805RES2111K/NC電阻RCLM0805RES21118電阻RCS1206RES211300K電阻RFB10805RES211120K電阻RFB20805RES211270k電阻RHOFF0805RES2111K電阻RLED,RPEF0805RES21251電阻RLOFF,RWLED0805RES21210電阻RS0603RES21110電阻RSNSRC0805RES211SWTAP開(kāi)關(guān)S1SW/4/SMT2SW-PB1ZS8205ZS8205U1ssop-6ZS82051ZS4053ZS4053U2WSSOP-8ZS40531USBUSB端口VCCUSBfootHeader515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?。核玫钠骷庋b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)書要求。所以，本系統(tǒng)是一個(gè)合格的移動(dòng)電源系統(tǒng)。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：Ａ．用熱敏電