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可穿戴式智能手机移动电源

发布时间:2021-12-26
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可穿戴式智能手机移动电源

发布时间:2021-12-26
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许多智能手机用户需要延长电池寿命并使用辅助移动电源。这些允许将他们的智能手机的使用时间延长多达六次(取决于移动电源的容量)。移动电源通常安装在智能手机的背面,并通过充电连接器(闪电或 USB)连接。为了增强用户体验,它们可以使用同一个智能手机充电器充电,用户不必担心单独充电。这些设备的电路设计包括锂电池移动电源、移动电源充电电路、配电开关、电源管理控制和DC-DC升压转换器(用于为手机提供所需电压(5V)。

图 1 描绘了辅助智能手机电池电源管理电路的功能硬件设计。它由以下部分组成:

图 1. 功能图

  • 电源管理控制 (PMC) 单元 - 这是设备的主要逻辑单元。它决定是将电源路由到智能手机还是额外的移动电源。它决定何时打开升压 DC-DC 转换器,以停止智能手机的内部电池供电。
  • 配电开关(PDS):由PMC单元控制的MOSFET组成。
  • LiPo 电池 – 对于此设计,选择单节 3.7V 1000mAh 电池作为移动电源单元。
  • LiPo 充电器 ——可控 DC-DC 降压转换器设计用作 LiPo 充电器。
  • 升压 DC-DC 转换器 – 需要升压 DC-DC 转换器将 LiPo 电池 3.7V 电压升至智能手机所需的 5V。

1. 电源管理控制(PMC)单元设计与实现
电源管理控制 (PMC) 单元使用来自设备其余部分的输入来做出电源路由决策。PMC 控制 PDS 和 DC-DC 升压转换器。

PMC 的输入是:

  • 充电器存在指示器 (CHG_IN)。
  • 设备功耗 (CUR_SENSE) 指示器。该指标将使用电流感应方法实现。如果智能手机的电流低于确定的阈值,PMC 也会将电源从输入传送到 LiPo 充电器,以便为移动电源充电。如果电流高于确定的阈值,则来自输入的电源将仅路由到智能手机。
  • 移动电源电压指示灯 (VBAT)。使用此指示灯,PMC 可以决定是否打开 DC-DC 升压转换器(从移动电源升压并提供给智能手机)。

PMC 的输出是:

  • LiPo 充电器控制 (LiPO_CHG)  – 此输出将向 PDS 发送信号以将电源路由至 LiPo 充电器。
  • 智能手机电源控制 (S_PWR)  – 此输出将向 PDS 发送信号,以将电源从输入传送到智能手机。
  • 升压控制 (BOOST_CTRL)  – 此输出将打开升压转换器并向 PDS 发送信号以将功率从升压传送到智能手机。

PMC 是具有 3 个输入和 3 个输出的数字逻辑电路。这可以使用 LUT 表轻松实现。三个 3 位 LUT 表用于使用 GreenPAK™ IC 实现 PMC。

图 2 显示了 PMC 输入和输出的功能表。

图 2. LUT 表

输入 输出
VBAT CHG_IN CUR_SENSE LIPO_CHG S_PWR BOOST_CTRL
0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0
0 1 0 1 1 0
0 1 1 0 1 0
1 0 0 0 1 1
1 0 1 0 1 1
1 1 0 1 1 0
1 1 1 0 1 0

每个输出都使用一个 3 位 GreenPAK LUT 单元实现。来自引脚的输入被路由到每个 LUT 表。

图 3 解释了使用 GreenPAK 实现 PMC。

图 3. LUT 表使用 GreenPAK 实现

2、配电开关设计与实现
配电开关由 PMC 输出 LIPO_CHG、S_PWR、BOOST_CTRL 控制。

图 4 描绘了 PDS 的框图。控制信号由 PMC 提供。PDS 向 PMC 提供传感器信号:  CHG_IN 和 CUR_SENSE。

图 4. 配电开关设计

设计中的两个位置使用了电流检测,图 5 显示了用于此任务的原理图。SLG88101 OP-AMP 用于制作电流检测电路,由于它是双 OP-AMP,所以只使用了一个 IC。

图 5. 电流检测电路

图 6 描绘了 PDS 实现原理图。Dialog 的 GreenFET 负载开关用于 PDS 实施。该SLG59M1709是负载切换一个完美的匹配,因为它的功能4A,其中超过所需的充电电流的2-3倍于市场上大多数智能手机的最大连续电流。

图 6. 配电开关实现

3. LiPo充电器设计与实现
LiPo 充电器使用可控降压 DC-DC 转换器实现。恒流 (CC) 和恒压 (CV) 模式用于为锂聚合物电池充电。

电池电压低于4.2V时使用CC模式,电池电压高于4.15V时使用CV模式。图 7 显示了使用 CC 和 CV 模式的 LiPo 电池的充电曲线。为了实施这种充电方法,需要监测充电电流和锂聚合物电池电压。

图 7. LiPo 电池充电模式

USB 充电器的输入使用提供 4.2V 输出的降压 DC-DC 转换器降压。为了实现恒流 (CC) 模式,电池上的平均电压必须是可变的。使用电流电阻器和运算放大器跟踪电流。运算放大器的输出与特定的电压阈值进行比较。当通过电池的电流超过指定电流时,PWM 的输出将被简单地禁用。当它回到阈值以下时,PWM 的输出将再次启用。

当电池电压达到 4.15V 时,LiPo 充电器进入 CV 模式并提供恒定的 4.2V 输出。

再次检测电流并将其与不同的阈值进行比较。当达到最大充电电流的 10% 时,它会发出终止充电的信号并输出​​ PWM。电流检测是使用图 5 中描述的方法和 SLG88101 运算放大器实现的。

图 8 描述了降压 DC-DC 转换器模拟设计。

以下是用于降压转换器设计的参数:

  • Vin(max)=5.1V,最大电压输入
  • Vout=4.2V,输出电压
  • Iout=1.2A,最大输出电流
  • fs=62.5kHz,最小开关频率
  • ΔVout=50mV,输出电压纹波
  • n=0.85,效率

以上是用于计算降压的下一个参数的设置参数:

  • Dmax=  , 最大占空比
  • ΔIL=(0.2 to 0.4)*Iout=0.24A,电流纹波
  • L=(Vout*(Vin(max)-Vout))/(ΔIL*fs*Vin(max))=49.41uH,最小电感
  • IF=Iout*(1-D) =0.36A,二极管电流
  • Cout(min)=∆IL/(8*fs*∆Vout) = 10uF,最小电容
  • Isw(max) =∆IL/2+Iout = 1.32A , 最大开关电流

图 8. 降压设计图 9. 使用 LTSpice 的降压设计仿真 – 输出电压图 10. 使用 LTSpice 的降压设计仿真 – 输出电流

图 9 和图 10 显示了使用 LTSpice 模拟器进行降压设计的模拟结果。降压的 PWM 信号可以使用 GreenPAK 的 PWM 模块来实现。PWM2 和 CNT8 模块用于实现 PWM 信号。

图 11 显示了上述设计实现的结果——由 GreenPAK 产生的 PWM 信号和 4.2V 的输出电压(CH2)(验证了 buck 设计和仿真结果)。

图 11. 降压设计实现测量——PWM 和输出电压

图 12. 用于降压的 PWM 信号生成 – GreenPAK 实施

图 12 描述了用于降压转换器的 PWM 信号的实现参数。PWM2 和 CNT8 模块用于产生 PWM 信号。PWM2 模块的 IN+ 选择器设置为寄存器 3,IN- 设置为计数器 (CNT8)。开关频率由以下公式确定:

占空比由 Regsiter3 中的值决定。CNT8 设置为计数为 15,Register3 设置为 10,以实现 62.5kHz 的开关频率和 62.5% 的占空比。

图 13. GreenPAK 实施(矩阵 1)

图 13 描述了使用 GreenPAK 的 LiPo 充电器实施。以下是用于 LiPo 充电器实施的 I/0 引脚:

  • PIN12,过温保护输入引脚
  • PIN13,CC/CV开关输入引脚
  • PIN14,过压过温指示输出引脚
  • PIN15,输入引脚za CV模式
  • PIN16,过压保护输入引脚
  • PIN17,Buck PWM 输出引脚
  • PIN19,CC/CV切换指示
  • PIN20,电池充满指示
  • PIN8,ADC 输入(通过电池检测电流)

以下是用于 LiPo 充电器实施的 GreenPAK 组件:

  • PGA
  • ADC
  • DCMP0/PWM0,用作数字比较器
  • DCMP1/PWM1,用作数字比较器
  • DCMP2/PWM2,用作降压的PWM信号发生器
  • CNT8/DLY8,用作计数器
  • OSC,用于时钟生成和升压 PWM 信号生成
  • ACMP1,模拟比较器 H=50mV
  • ACMP2,模拟比较器 H=50mV
  • ACMP3,模拟比较器 H=0mV
  • 3-L8,多路复用器
  • 3-L9,多路复用器
  • 3-L10,多路复用器
  • 4-L1,与逻辑门
  • 2-L7,或逻辑门
  • 2-L4,逆变器
  • 2-L5,逆变器
  • 2-L6,逆变器
  • 3-L12,逆变器

LiPo充电器的设计已经解释过了;以下文本将重点介绍使用 GreenPAK 的实现。

CC/CV 开关:

CC/CV 开关负责在两种充电模式之间切换 LiPo 充电器。如果电池电压低于4.15V,充电器保持CC模式;如果等于或略高于 4.15V,则充电器处于 CV 模式。

图 14 描述了使用模拟比较器 ACMP2 的 CC/CV 开关。ACMP2 的输入是 PIN13,它连接到外部分压器,如图 15 所示。ACMP2 的输出连接为 3L10 多路复用器的选择器位。当ACMP2为0时,3L10输出左声道(CC模式),如果电池电压高于4.15V,则输出1,使3L10输出右声道(CV模式)。

图 14. CC/CV 开关实现图 15. CC/CV 开关的分压器和 RC LPF

ACPM2上的IN-设置为500mV,因此为了检测电池上的电压是否在4.15V以上,必须将电压电阻设计为输入(Vbat)为4.15V时输出500mV。以下是分压器所需的计算:

  • Vt = 500mV,输出
  • Vbat = 4150mV,电池电压
  • R1 = 15Kohm

一个简单的 RC LP 滤波器用于消除输入到 CC/CV 开关的任何噪声。设计滤波器的截止频率为3.38Hz。此外,由于电池电压在充电过程中发生变化,因此 ACMP2 上使用了 5mV 滞后。图 16 显示了 ACMP2 设置。

图 16. ACMP2 设置

抄送模式:

当电池电压低于 4.2V 时使用 CC(恒流)模式。在这种模式下,需要电路来保持通过电池的恒定电流。

对于电流检测,使用图 5 中的电路。R_sense 设置为 2mOhm。电流检测 OP-AMP 的增益设置为 200。如果通过 R_sense 的电流为 0.5A,则 OP-AMP 输入端的电压为 Vin = I*R_sense=1mV。当放大 200 倍时,GreenPAK 中 ADC 模块的输入端有 200mV。最大充电电流的50%用于给电池充电,本例为0.5A。

图 17. ADC

电流检测电路的输出连接到 PIN8,PIN8 连接到 PGA。PGA 又连接到 ADC。ADC 的输出连接到数字比较器 DCMP0 和 DCMP1。使用 DCMP0,LiPo 充电器保持 500mA 的恒定充电电流。

图 18 描述了 DCMP0 设置。IN+选择器是ADC输出,IN-选择器是寄存器0。为了获得信息,如果电流高于500mA,使用以下计算将寄存器0设置为50:

GreenPAK ADC 为 8 位,因此分辨率为:

当通过 R_sense 的电流为 0.5A 时,ADC 输入上的电压为 200mV,如前所述,因此寄存器 0 = 

如果通过 R_sense 的电流高于 0.5A,DCMP0 输出将禁用 PWM 降压输出以防止电流上升并将其保持恒定。DCMP0 输出连接到 3L10 多路复用器输入。在CC模式下,如果DCMP0的输出为0(电流低于0.5A),3L9多路复用器的输出将是PWM2模块的输出。如果DCM0输出为1(电流大于0.5A),3L9输出为GND。

图 18. DCMP0 设置

恒压模式:

当 CC/CV 逻辑指向 CV 模式时,3L10 多路复用器的输出将是 ACMP3 的输出。ACMP3 由外部分压器供电,因此当电池上的电压高于 4.2V 时,它能够输出 1。这也会将 3L9 的输出置于 GND 并关闭降压输出。当电池电压低于4.2V时,ACMP3会输出0,因此3L9输出的是PWM信号,由PWM2模块产生。这种方法用于使电池上的电压始终保持在 4.2V。

图 19. ACMP3 的模拟前端

图 19 描绘了 ACMP3 的模拟前端(当电池电压为 4.2V 时,分压器设置为输出 500mV,RC 滤波器用于降低噪声)。

电池充电终止:

DCMP1 用于检测电池充电终止。当充电器处于 CV 模式且电流为最大充电电流(0.1A)的 10% 时,充电将终止。使用数字比较器 DCMP1 将寄存器 2 与 ADC 生成的值进行比较。寄存器 2 中的值计算如下:

VR_sense=0.1 A * 0.002 Ohm =0.0002 V =0.2 mV

Vout=G*VR_sense =40 mV

图 20. 过温保护

寄存器 2 = 

过温保护:

图 20 描述了用于过温保护的电路。具有恒定 B=4050K 的 10KOhm NTC 电阻器用于温度监控。如果温度高于 50C,ACMP1 将终止电池充电。

LiPo 充电器实施测试。电池电压为4.04V;这意味着它处于 CC 模式。在此开发阶段,CC 模式使用 290mA 充电电流。

4. Boost DC-DC转换器设计与实现
升压 DC-DC 转换器用于将移动电源 3.7-4.2V 电压步进到智能手机所需的 5V。Boost参数如下:

n = 0.85,计算时使用 0.85 效率

ΔVout=50mV,输出电压纹波

Vin(min) = 3.3V,这是升压的最小输入

Vin(max = 4.2V, 这是升压的最大输入

fs = 41.7kHz,这是开关频率

Vout = 4.9-5.2V

, 占空比

= 0.496 A,电感纹波电流

= 62.5uH,电感

, 最大输出电流

 

图 22 描述了使用 LT Spice 模拟的模拟升压实现。

图 22. 升压 DC-DC 转换器原理图 图 23. 升压转换器实施的仿真结果

仿真结果如图 23 所示。使用 OSC 作为 PWM 源(频率为 41.7kHz)实现升压。

图 24. GreenPAK Boost 实现

图 24 描述了使用 GreenPAK 的升压实现。PWM 是使用 OSC 生成的,时钟预分频器设置为 2,OUT0 第二分频器设置为 24(以实现 41.7kHz 频率)。比较器 ACMP5 用于将反馈与设置的电压阈值进行比较。当反馈引脚上的电压高于设置的阈值时,PWM 源关闭。这是一种控制升压转换器输出电压的简单方法。

5. 本设计的扩展
该示例涵盖了传感器向 LiPo 电池的电源管理控制器提供的所有逻辑、时钟生成和反馈。

只需使用额外的电压保护电路,即可在模拟域中扩展此设计。关于数字方面的实施,此处介绍的设计已经实现了所有主要要求。

结论
建议的设计和实施表明,电源管理控制器和 LiPo 充电器(包括降压和升压 DC-DC 转换器)可以使用 GreenPAK 轻松实现。使用 GreenPAK 使我们能够获得所需的系统行为,而无需投资定制芯片开发。这表明使用 GreenPAK 技术可以根据设计师的需求设计和定制类似的产品。

感谢您的阅读和关注。

外文原文:点击进入
声明:本文由Hackaday授权电路城翻译,系电路城的原创内容,转载请注明出处! 

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