基于ASC8511 的電源管理系統(tǒng)

孟上海，董林璽

(杭州電子科技大學(xué)微電子CAD 所，杭州310018)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，便攜式設(shè)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(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)成為便攜式設(shè)備的首選電源［1］。鋰電池的特性以及應(yīng)用環(huán)境的需求，對(duì)便攜式設(shè)備電源管理［2］方案的設(shè)計(jì)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(shù)已非常成熟，以手機(jī)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(yīng)用，但不具備智能充電管理功能。本文設(shè)計(jì)了一種以ASC8511 鋰電池充電電路為核心的便攜式設(shè)備電源管理系統(tǒng)，可實(shí)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(shè)備供電。

1 ASC8511 性能測(cè)試

ASC8511 是開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大充電電流可達(dá)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(hù)、充電時(shí)間限制、輸出短路等保護(hù)功能，通過NTC 檢測(cè)電池溫度，可以實(shí)現(xiàn)電池過熱保護(hù)功能，2 個(gè)LED 指示燈指示電池充電狀態(tài)。ASC8511 采用16 腳T-SSOP 封裝。ASC8511 應(yīng)用電路如圖1 所示。

圖1 ASC8511 應(yīng)用電路

1.1 可編程充電電流測(cè)試

通過設(shè)置RSNS和RISET的值可以設(shè)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(cè)精度和充電效率，RSNS上的壓降VSNS最好設(shè)定在100 mV ～200 mV 之間。

式中，ICC為恒流充電電流。

如果RSNS計(jì)算值不是標(biāo)準(zhǔn)電阻值，則取最接近的電阻值。得到RSNS的值后，可通過下式計(jì)算RISET:

VISET是ISET管腳的電壓，內(nèi)部設(shè)定為1. 5 V。KISET是電流檢測(cè)系數(shù)，典型值為2 000/RSNS。例如，如果設(shè)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(cè)試條件:取3 片芯片，分別設(shè)置恒流充電電流ICC為600 mA、1 A、1.5 A，取RSNS=0.1 Ω，由計(jì)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(yù)充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段直至充電截止，測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果

1.2 充電過程測(cè)試

完整的充電過程可分為3 個(gè)階段:預(yù)充電、恒流充電(CC)［3］、恒電壓充電［4］(CV)。當(dāng)電池電壓低于VLOWV，對(duì)電池進(jìn)行涓流充電［5］，即預(yù)充電，充電電流為恒流充電的1/5。當(dāng)電池電壓高于VLOWV，將進(jìn)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(huì)快速上升。當(dāng)充電電流開始下降，充電進(jìn)入恒壓充電階段。當(dāng)充電電流下降到恒流充電電流的1/8，ASC8511 給出“充電結(jié)束”(EOC)信號(hào)。

測(cè)試條件:輸入電壓5.0 V，外接電池電壓2.75 V，RISET=30 K，即設(shè)定恒流充電電流為1 A，預(yù)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(yù)充電階段，充電狀態(tài)指示燈紅燈點(diǎn)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(shí)刻:充電電流下降到設(shè)定的充電截止電流125 mA，充電過程結(jié)束，紅燈熄滅，充滿狀態(tài)指示燈綠燈點(diǎn)亮。

ASC8511 的預(yù)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(shè)計(jì)要求。

圖2 ASC8511 充電過程曲線圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 供電方式

便攜式設(shè)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)升壓電路輸出穩(wěn)定5 V 電壓，使便攜式設(shè)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(jiǎn)單方便;USB 接口供電方式，電腦、移動(dòng)電源等帶有USB 接口的設(shè)備都作為供電電源;太陽能電池板供電方式，在工作現(xiàn)場(chǎng)沒有市電電源及帶有USB 接口設(shè)備的情況下，在一些極端環(huán)境下可為設(shè)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(gè)選擇接口;太陽能電池板電壓為6 V，作為另一選擇接口。可撥動(dòng)選擇開關(guān)，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(hào)為RPS-2.5-12M，指標(biāo)為:標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間會(huì)很長。為驅(qū)動(dòng)充電管理芯片工作以及縮短充電時(shí)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(shí)，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(yīng)用ASC8511 的可編程充電電流功能，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)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(rèn)充電電流為0.75 A，可撥動(dòng)充電電流選擇開關(guān)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(shí)現(xiàn)充電電流的切換調(diào)節(jié)，但需撥動(dòng)開關(guān)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(shí)現(xiàn)充電電流的智能切換調(diào)節(jié)，方便、快捷、無需手動(dòng)調(diào)節(jié)。電路2 包含2 個(gè)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(shè)置不同的控制信號(hào)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(shí)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(shí)兼顧太陽能電池板供電時(shí)充電電流不能過大的設(shè)計(jì)要求。使用5 V 電源適配器或USB 接口供電時(shí)，DC5V/VUSB 為高，三極管T1和T2導(dǎo)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(shí)，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(shí)，隨著放電，鋰電池的輸出電壓會(huì)從最高的4.2 V 慢慢下降到3.0 V。對(duì)于這樣寬的輸入電壓變化，通常都會(huì)有升壓電路輸出固定電壓為便攜式設(shè)備供電。便攜式設(shè)備常用的電源電壓為5 V、12 V等，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固定輸出5 V 的升壓電路，為便攜式設(shè)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(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5 A 的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)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(zhuǎn)換應(yīng)用如圖5 所示，其輸出電壓值可通過改變R3、R4電阻值來進(jìn)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(yīng)改變，可輸出固定6 V、12 V 等電壓，該電路可方便的應(yīng)用到5 V、6 V、12 V 等不同電源電壓的便攜式設(shè)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(yīng)用電路

2.4 電池電壓過低提示電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，通過電壓檢測(cè)芯片XC6101A035 測(cè)試鋰電池電壓［10］，來提示電池電壓是否過低，警告用戶及時(shí)充電［11］，以免電池電壓過低而影響便攜式設(shè)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(cè)芯片，可根據(jù)檢測(cè)電壓VDF選取不同型號(hào)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(shè)備可正常工作，設(shè)定過低電壓提示值為3.2 V，故選擇檢測(cè)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(dāng)電池電壓高于3.5 V 時(shí)，XC6101A032 輸出電壓為電池電壓，LED 熄滅;當(dāng)電池電壓低于3. 2 V 時(shí)，XC6101A032 輸出電壓為0，LED 點(diǎn)亮，發(fā)出電池電壓過低提示，告知操作人員及時(shí)充電。

3 結(jié)束語

鋰電池供電的便攜式設(shè)備中，電源管理系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備能夠正常工作的基礎(chǔ)，鋰電池充電電路又是電源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，因而鋰電池充電管理芯片的選擇至關(guān)重要。應(yīng)用ASC8511 芯片僅須少量的外圍元件，就可實(shí)現(xiàn)低成本的單節(jié)鋰電池充電方案。ASC8511最高可達(dá)2.5 A 的充電電流，可大大縮短充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)鋰電池的快速充電。同時(shí)，具有較寬的工作溫度范圍以及NTC 溫度檢測(cè)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(chǔ)的鋰電池充電電路，可選擇3 種供電方式，靈活方便;同時(shí)，在3 種供電方式下，可智能地實(shí)現(xiàn)充電電流的切換調(diào)節(jié)，滿足太陽能電池板供電時(shí)充電電流不能過大的要求。配合MC34063 升壓電路的應(yīng)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(shè)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(shí)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(shè)備供電，電池電量過低警報(bào)提醒用戶及時(shí)充電。

［1］ 韓劉，秦燕.鋰電池線性充電管理芯片LTC4065 及其應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009，9(6):46-48.

［2］ 王非，劉昊，田曉明.手持終端設(shè)備中的鋰電池充電技術(shù)［J］.電子器件，2004，27(4):757-758.

［3］ Chen Chen，He Lenian. Chip Design of Li-Ion Battery Charger Operating in Constant-Current/Constant-Voltage Modes［J］. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007，28(7):1030-1035.

［4］ 吳聲崗，陳智發(fā). 一種大電流開關(guān)型鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)［J］.電子工程師，2007，33(10):31-33.

［5］ 張惠，馮英.電源大全［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993:135-162.

［6］ 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，1998:33-58.

［7］ 李曉帆.針對(duì)鋰電池的太陽能充電器的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(4):89-91.

［8］ 李維姣，賴大坤.便攜式移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀的電池與電源管理［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2009，33(1):15-19.

［9］ 管小明，李躍忠，王曉娟. 基于MC34063 的便攜式儀器電源電路設(shè)計(jì)［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)，2010，33(1):97-100.

［10］ 雷晶晶，李秋紅，龍澤，等. 鋰電池組單體電壓精確檢測(cè)方法［J］.電源技術(shù)，2006，36(3):332-334.

［11］ 高婷婷.基于MAX1758 的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電源世界，2008，5(10):62-65.