便攜式移動電源電量顯示控制電路的設(shè)計

陳　飛

(西安電子科技大學 電路CAD研究所，陜西 西安 710071)

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便攜式移動電源電量顯示控制電路的設(shè)計

陳飛

(西安電子科技大學 電路CAD研究所，陜西 西安 710071)

針對便攜式移動電源在充放電時的電量顯示控制問題，文中基于常用的電池電量顯示標準，設(shè)計了一種控制移動電源在充電與放電時電量顯示狀態(tài)的電路，該電路將電池的分壓與芯片中升壓模塊的基準輸入比較器比較，結(jié)合時鐘信號進行邏輯控制，將電量顯示分為多個階段，采用4個LED顯示。同時當芯片其他模塊工作異常時，引入狀態(tài)異常指示，提醒用戶采取措施。采用TSMC0.35 μm工藝，在Cadance平臺Spectre環(huán)境下進行仿真，仿真結(jié)果證明設(shè)計達到了預期效果。

電量顯示控制；充放電；電路異常指示

以智能手機為代表的手持設(shè)備性能不斷提高，屏幕尺寸越來越大，數(shù)碼產(chǎn)品自身電池能量無法滿足日常所需，于是移動電源應(yīng)運而生[1]。移動電源是一種集供電和充電功能于一體的便攜式充電器[2]。移動電源單機容量可達20 000 mAh，徹底解決了戶外活動時的供電問題[3]。移動電源主要由儲電電芯和控制電路兩部分組成[4]，而控制電路主要由3部分構(gòu)成：Charger充電部分、Boost升壓部分和電量顯示部分。Charger充電部分主要負責將外部能量儲存于電池中，Boost升壓部分將可變的鋰電池電壓轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的輸出并提供一定的帶載能力[5]。前兩者的架構(gòu)一般較為固定，電量顯示控制電路根據(jù)不同的顯示方法設(shè)計相對靈活。

1　目前存在的電量顯示方法

電量顯示的目的在于告訴用戶移動電源的可用性[6]，個別移動電源一般只搭配一個顯示燈，在電池充滿之后熄滅。但隨著移動電源電池容量越來越大，多數(shù)情況下人們等待不了過長的時間，多會在移動電源電池未充滿時就會拔掉充電電源使用，顯然利用一個顯示燈不能滿足這種需求，若燈越多細分的越精確，但這又會增加系統(tǒng)的功耗與體積，而且過度精確的細分并不需要。目前應(yīng)用較多的有兩個燈顯示到4個燈顯示不等，不同的顯示狀態(tài)對應(yīng)不同的電池電壓或是儲存能量占電池額定能量的百分比，且一般會使用不同顏色的LED燈管。值得注意的是現(xiàn)在的顯示方法大多均集成了系統(tǒng)異常指示，比如當系統(tǒng)發(fā)生過溫過壓輸出短路時就觸發(fā)異常的顯示狀態(tài)，用戶據(jù)此可及時采取措施或者終止操作，避免危險的發(fā)生。

2　本文設(shè)計的電量顯示電路

2.1顯示狀態(tài)設(shè)計

本文采用4個LED燈顯示，具體的顯示狀態(tài)如表1和表2所示。

表1　充電時電量顯示狀態(tài)

表2　放電時電量顯示狀態(tài)

為了避免在電池電壓低于Boost欠壓鎖定閾值充電時出現(xiàn)LED無法顯示的問題，在充電時從Charger模塊引入一路電流到LED1。因此LED1閃爍的狀態(tài)是亮度明暗周期性變化，而LED2和LED3閃爍的狀態(tài)是亮滅周期性變化。文中在同一個燈充電時的翻轉(zhuǎn)點與放電時的翻轉(zhuǎn)點之間加入遲滯。另外，當Charger系統(tǒng)或Boost系統(tǒng)工作時，若發(fā)生過溫、過壓、過流、輸出短路等異常時，4個燈將開始同時閃爍，指示用戶系統(tǒng)工作異常。根據(jù)以上要求，首先給出所設(shè)計的控制框圖，之后給出各部分的具體電路圖。

2.2顯示控制電路框架規(guī)劃

圖1　電量顯示控制電路框圖

如圖1所示，首先在電路中加入VBAT到地的一路分壓電阻，形成4個分壓比divide1～divide4，其分壓比比值依次減小。針對分壓電路文中加入Charge信號控制，通過是否短路一部分電阻從而在充電與放電時形成不同的分壓比，用以產(chǎn)生充電與放電時對應(yīng)顯示轉(zhuǎn)換點之間的遲滯。電路中引入4個比較器，比較器的負相端接Boost部分產(chǎn)生的基準Vref，正相端接divide1～divide4,充電時電池電壓從低到高，其分壓輸出從低到高，divide1～divide4會分別達到該基準電壓，4個比較器依次翻轉(zhuǎn)，L1，L2，L3和L4依次翻低，對應(yīng)4個不同的顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換點。放電時電池電壓降低，4個比較器依次翻轉(zhuǎn)，L4，L3，L2和L1依次翻轉(zhuǎn)高，最后Boost系統(tǒng)進入欠壓鎖定狀態(tài)，UVLO信號為高。L3，L2，L《》1，UVLO信號的翻轉(zhuǎn)對應(yīng)著顯示狀態(tài)的4個轉(zhuǎn)換點。Charge與Discharge用以在充放電時形成不同的控制信號，F(xiàn)ault信號為前述系統(tǒng)異常指示信號，在Charger部分與Boost部分出現(xiàn)異常時起作用。T1與T2為由振蕩器輸出信號經(jīng)過整形分頻之后輸出的時鐘信號，用以控制電路在正常工作時與出現(xiàn)異常時LED1～LED4閃爍時的不同閃爍周期。LED1～LED4為輸出外接發(fā)光二極燈管。MP1～MP4為鏡像管，確定了流過LED的電流大小。MP5～MP12為開關(guān)管，受邏輯模塊輸出的控制信號K1～K8的控制，實現(xiàn)對電量顯示狀態(tài)的控制。需要注意的是由于LED的電流要比較大，同時為了保證在較低電壓下LED1～LED4輸出端的電壓均可達到發(fā)光二極管中的PN結(jié)的導通電壓，因此此處二極管尺寸都要給的比較大以承受更大的電流同時降低自身的過驅(qū)動電壓[7]。如前所述可看出，當充電信號有效(Discharge為低)時Charger的電源VIN會向LED1送入一路電流使得只要是充電狀態(tài)，LED1一直保持點亮。

2.3子模塊具體電路實現(xiàn)

圖2　分壓電路與比較器電路圖

圖2中左半部分給出了分壓電路的示意圖，設(shè)充電時的翻轉(zhuǎn)點為VCi(i=1,2,3,4)，放電時的翻轉(zhuǎn)點為VDi(i=1,2,3,4)則有

(1)

(2)

其中，Vref為Boost模塊產(chǎn)生的輸入比較器的基準，Rdson為M1導通時的等效電阻。理想上希望M1導通時是一個短路的狀態(tài)，因此必須將Rdson降得盡可能小，從直觀上講就是要給M1更大的尺寸。同時因為此串分壓電阻始終導通，故為了減低功耗，此處電阻的阻值應(yīng)盡可能大，但同時還應(yīng)考慮到版圖面積與大電阻引入的寄生效應(yīng)的影響[8]。

圖2中右半部分給出了所使用的比較器電路圖。采用普通的兩級比較器，當分壓比divideN(N=1,2,3,4)高于基準電壓Vref時比較器輸出LN翻轉(zhuǎn)為低，fault信號作為使能信號，系統(tǒng)發(fā)生異常時，fault信號為高，4個比較器的輸出L1～L4全部為低。此處需要注意的是，為保證實際顯示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換點接近理論設(shè)計值，需要將比較器的失調(diào)降低到盡可能小，首先輸入對管M3和M4應(yīng)當選取較大的尺寸，在版圖中應(yīng)采用匹配畫法[9]，其次就是M1與M2的尺寸的設(shè)置，若M5，M6和M7采用相同的尺寸，則M1的尺寸應(yīng)當是M2的2倍。若M5和M6采用相同的尺寸，M7的尺寸是其2倍，則應(yīng)當選取M1與M2尺寸一致。同時M5，M6和M7應(yīng)當選取長溝道器件，以減弱溝道長度調(diào)制效應(yīng)引入的誤差[10]。因電池電壓的上升是一個緩慢變化的過程，且又會攜帶噪聲引入的波動，為此文中給比較器的輸出加入一個施密特觸發(fā)器，引入滯回，防止LN的反復翻轉(zhuǎn)。之所以不使用遲滯比較器架構(gòu)的原因是要達到效果，則遲滯量應(yīng)較大，分壓比較大的遲滯量反映到VBAT電壓上就會過大，遠超過設(shè)計的50 mV遲滯。此外，在版圖的設(shè)計中應(yīng)當選取分壓電阻的地與Boost基準的地選取同一個地線，且其走線應(yīng)盡可能的短。

圖3　控制邏輯示意圖

圖3給出了邏輯控制電路圖。如圖中所示，T1和T2為振蕩器輸出經(jīng)過分頻后的時鐘信號，其占空比均為50%。電路正常工作且處于充電狀態(tài)時，Discharge信號為低，fault信號為低。T3為與T1頻率相同相位相反的信號，T4恒為低。Boost系統(tǒng)脫離UVLO狀態(tài)以后，UVLO信號翻轉(zhuǎn)為低，K1為低，而此時在L1翻轉(zhuǎn)為低之前，K2為與T3同頻率的信號，此時LED1便按照K3的變化閃爍，同時L1為高，K3為高，LED2支路關(guān)斷。直到L1翻轉(zhuǎn)為低，此時K2恒定為低，LED1開始常亮，L1翻轉(zhuǎn)為低，K3為低，LED2便開始以與T3相同的頻率開始閃爍，直到L2翻轉(zhuǎn)為低，LED2常亮，后續(xù)分析同理。電路正常工作且處于放電狀態(tài)時，設(shè)此時電池電壓為充滿后的電壓，Discharge信號為高，T3和T4均恒定為低。因此K2，K4，K6和K8恒定為低，當電池電壓高于3.75 V時，L3為低，K7為低，故LED4常亮。當電池電壓低于3.75時，L3翻轉(zhuǎn)為高，K7為高，LED4熄滅。其余轉(zhuǎn)換過程同理，直到電池電壓低于欠壓閉鎖門限，UVLO信號為高，LED1熄滅。無論充電或是放電當系統(tǒng)發(fā)生異常時，fault信號為高，T3為高，T4為與T2變化同步的信號，此時因L1～L4全部為低，K2，K4，K6和K8全部為低，于是K1，K3，K5和K7便跟隨T4的時鐘周期進行閃爍，因此便出現(xiàn)系統(tǒng)工作異常時4個燈全部閃爍的情況。

3　仿真結(jié)果

選取VBAT從2.85 V勻速上升到4.2 V后再勻速下降到2.85 V，觀察LED1～LED4端口電壓的變化情況。仿真結(jié)果如圖4所示，可看到LED1～LED4在充電時都是先后從閃爍到常亮，放電時均先后是從常亮到熄滅，仿真結(jié)果符合設(shè)計預期。設(shè)置VBAT=3.8 V， fault=3.8 V，仿真系統(tǒng)出現(xiàn)異常時的顯示狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖5所示，LED1～LED4均是以相同的間隔閃爍，符合設(shè)計要求。需要說明的是，為了便于仿真，此處等倍數(shù)的縮小了時鐘信號的時間長度，同時仿真時未加入Charger的電源VIN向LED1注入的那一路電流。

圖4　充放電狀態(tài)顯示波形圖

圖5　系統(tǒng)異常仿真波形圖

4　結(jié)束語

設(shè)計了一種應(yīng)用于移動電源的電量顯示控制電路，采用4個LED燈顯示，符合目前最流行的顯示方式，可使用戶方便的了解電池電量的存儲情況。同時當系統(tǒng)工作異常時，4個燈同時閃爍提醒用戶采取措施，該設(shè)計具有一定的實用參考價值。

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Design of Power Display Control Circuit for Portable Powers

CHEN Fei

(Institute of Electronic CAD, Xidian University, Xi’an 710071, China)

This paper designs a circuit for controlling the power display status when the mobile power is under charging and discharging. In this circuit, the battery voltage’s dividers and boost module’s reference are input into the comparator, combined with the clock signal for logic control. The power display is divided into multiple stages. Power display is achieved with 4 LEDs. In case of anomaly of other modules of the chip, an abnormal state indicator is introduced to remind the users. This circuit uses TSMC0.35 μm process. Cadence simulation in Spectre environment shows that the design achieves the desired effect.

power display control; charging and discharging; circuit exception indicates

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.005

2015-11-18

陳飛(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計。

TN386.1

A

1007-7820(2016)08-014-04