DSP开放作品-移动电源设计

以ZS6300为电源控制IC的移动电源设计组长：程壹涛组员：黎威业方正葛小海肖雨薇PartOne移动电源介绍及方案展示01DesignedBy肖雨薇Contents目录当前市面上的移动电源自己设计的移动电源充电宝的内部结构你们都知道吗？内部结构锂电池模块（18650）温度检测（过温保护）过压过流保护模块充放电电流检测模块电量检测及显示放电电路充电电路电源控制IC芯片充电宝18650电芯最常见的形状就是图中所示这样的，类似5号电池，但是体积要比5号电池大出一圈。物如其名，18650电芯的直径为18mm，长度为65mm，非常容易识别。出于安全考虑，在电池正极位置通常会加置一个灰色的绝缘片。将其拆开以后我们发现，圆柱型的18650电芯使用全金属材质外壳，可以对内部物质起到较好的保护，而且能很好的防止出现漏液情况。内部为一卷薄膜，电芯两端分别设计正极和负极。内部的薄膜是一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜采用微孔结构设计，可以使得锂离子自由通过。连接电池正极和负极薄膜之间还专门夹杂一层白色的塑料薄膜，薄膜经过电解液浸泡，湿润但是水分并不大，挥发性特别好，有刺鼻气味。18650电芯内部的电解液通常使用的是六氟磷酸锂的碳酸脂类溶剂，锂离子电池的充放电过程简而言之，就是锂离子嵌入和脱嵌的过程。嵌入的锂离子的多寡，直接影响电池的容量大小。通过上面的拆解我们可以发现，18650电芯的是由：外壳、正极、负极、薄膜和电解质五部分组成的，它们各司其职，以确保用户正常充放电使用。自制的移动电源充电电路放电电路电量检测及显示控制输出电路PartTwo各模块详细介绍02DesignedBy方正and葛小海Contents目录锂电池模块（18650）充电功能升压功能保护功能电池电量显示疑难解答芯片选型2-1芯片选型ZS6300是一款应用于移动电源，集成了锂电池开关充电管理，DC-DC升压限流恒流，电池电量显示，按键控制及锂电保护为一体的便携式电源管理IC。引脚功能基于ZS6300的充电宝主控电源：2-2锂电池模块充电宝的锂聚合物电芯现在市面上的充电宝均采用18650锂电芯或高级锂聚合物电芯，相比之下聚合物锂电池主要具有以下优点：1、单体电池的工作电压高达3.6v~3.8v远高于镍氢和镍镉电池的1.2V电压。2、容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5~2.5倍，或者更高。3、自放电小，在放置很长时间后其容量损失也很小。4、寿命长，正常使用其循环寿命可达到500次以上。5、没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便。6、安全性能好。2-3充电功能模块ZS6300用开关方式对电池进行涓流/恒流/恒压三段式充电。当电池电压低于3V时进行涓流充电；当电池电压高于3V时进行恒流充电；当电池电压接近4.2V时进行恒压充电，此时充电电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的1/10时，4个LED灯全部常亮，指示电池已经充饱。充饱时，芯片可选择电流进一步减小到零，维持浮充电压；或者终止充电，等待电池电压降低到一定电压(VRECHG)时进行复充(Recharge)。充电电流设定对电池充电的电流大小由芯片的SNS引脚和BAT引脚之间的采样电阻RS来设定。恒流充电电流ICharge由下式决定：ICharge=0.02/RS涓流充电电流为ICHARGE的1/8，充饱判断电流为ICharge的1/10。充电软启动：当电池直接进入恒流充电时，ZS6300会控制充电电流逐渐增大到设定值，避免了瞬间大电流冲击引起的各种问题。按键边充边放功能ZS6300具有按键启动边充边放功能，保证了USB端负载的优先供电。如果充电过程中，输出USB同时接有负载要给负载供电，可通过按键激活边充边放，ZS6300会控制系统给电池充电同时供电给负载；如果负载所需电流值超过VRCS6.7mV，ZS6300会控制系统优先供电给负载，同时逐渐减小充电电流直到不充电，让全部输入电流供给负载，同时达到了输入限流的效果，如果VRCS6.2mV，芯片会控制恢复充电。当移动电源充电时，短按按键，芯片会控制关闭充电，检测是否有便携设备接在USB口，如果有则优先对其供电，如果没有，经过16s后恢复充电。2-4升压功能ZS6300具有同步升压功能，可将单节锂电池2.9V到4.2V之间的电压升压到5V输出，给负载供电。电池电压低于2.9V时，芯片系统将判断为电池电量不足，停止升压。当VIN电压低于3.3V时，系统将判断为电源适配器掉电，并启动升压电路。从升压功能上看可分为：(1)升压限流功能;(2)放电过流保护和短路保护功能;(3)升压软启动功能;(4)空载检测功能升压限流升压时，ZS6300通过CS和CSN检测负载电流，如果负载电流逐渐增加，到达限流值时输出电压会下降，直到不升压（同步整流PMOS常开）。限流值的计算：ILIM=0.024/RCS放电过流保护和短路保护负载电流超过限流电流继续增大，当CS与CSN两端的压差超过26mV，且维持时间超过1S，则系统启动负载过流保护功能，ZS6300将会关闭USB的输出通路MOS管，进入待机状态。过流值的计算公式：IOCP=0.026/RCS升压软启动和空载检测升压软启动：芯片有升压软启动功能，在启动升压时，电流会逐渐增加到最大值，保证系统工作的稳定。空载检测：当负载电流小于30mA±10mA持续60s时，芯片判断外部负载消失，关闭输出进入待机状态。2-5保护功能·充电USB短路保护当充电时USB发生短路，芯片会关闭USB输出，熄灭电量指示灯，短路解除后，短按按键可以解除短路保护状态，USB输出打开，电量指示灯亮起，16s后恢复充电。·升压USB短路保护当电池升压时，USB发生短路，芯片会关闭升压，进入待机状态；短按按键可以解除短路保护状态。过压而损坏，指示灯闪烁，提示输入电压异常。输入电压正常后状态解除。·二级短路保护在某些极限状态下发生USB短路，芯片检测不到短路状态，但仍然可以关闭USB输出，短路解除后会自动恢复原来状态，保护器件不被损坏，电池端也不会出现大电流，保护IC不会损坏。·USB过压保护输入电压过高，超过6V时（板端采电压），芯片会控制关闭USB输出，防止接在USB的便携设备因为过压而损坏，指示灯闪烁，提示输入电压异常。输入电压正常后状态解除。2-6电池电量显示ZS6300可以恒流驱动4路LED灯，每路电流为2.5mA，LED灯的亮灭变化表示电池电量。（1）电池充电显示方式：（2）电池放电显示方式：疑难解答为什么说锂聚合物电池比锂离子电池更安全？锂离子电池电解液是液态，聚合物电池的电解质是凝胶或者固态，不易发生爆炸。充电宝的过充保护是什么意思？答：充电宝过充保护，是指一个过充保护装置，就是说当电池充电到一定的电量，它就不会继续给电池提供电源，这是预防充电宝过充而爆炸为什么充电宝充满电后不用电量也会下降？答：因为不用时也会有待机电流26uA010203logo关于小米电源的调研DesignedBy黎威业Contents目录小米电源电路板小米电源设计方案小米电源细节特点小米电源存在问题PartOne小米电源电路板01小米电源电路板小米电源电路板正面图小米电源电路板反面图PartTwo小米电源设计方案02小米设计方案BQ24195充放电集成芯片小米希望减小面积，所以选择了充放电集成的方案。同时小米认为TI的芯片会带来更好的效率和可靠性此款芯片的特点1、采用高压工艺；2、内部集成了4颗MOS，其中一颗用于路径管理，支持同时充放电，一颗用于检测充电电流，剩下2颗N管组成双N结构；3、1.5MHz开关频率这是为了使用小尺寸电感，因此电感DCR也小，在大电流输出时效率会更好；4、其中采用QFN24封装尺寸小，但外围还需要搭配很多器件。电池充电电压精度20mV这个指标很一般。优秀的指标是2mV；5、2A充放电效率在88%以上，但实际上移动电源设计中需要外加电感、电流检测电阻、锂电保护等，所以整体效率在3.3V转5V时仅有81%。2.4A时发热达到100度，达到芯片极限。优秀的芯片可以保证3V转5V在2A时有90%以上的效率，温度在50度以内；6、带I2C接口调节各种阈值，但精度不够。PartThree小米电源细节特点03小米电源细节特点1、无法做输出短路保护，是个严重的问题。外部短路保护性能必然不如芯片内部保护。2、无法实现电量检测，需要外部电路。总之，TI的该款芯片不是移动电源最合适的芯片。。3、ABOV单片机的选择很多，无非是速度、字长、指令集、存储空间、外部资源等的区别。移动电源中，单片机主要做状态控制、显示、按键响应、电流电压检测、空载检测、过温保护等等。但注意的是单片机绝对不能做电源反馈环路控制。在这点上小米有清醒的认识。但国内诸多移动电源的小公司仍然在铤而走险为降低成本采用所谓的MCU多合一方案。小米电源细节特点4、空载检测10mOhmsense电阻做放电电流采样。但这个电阻后来在13年10月底紧急又改为100mOhm。小米的空载检测和其他公司不太一样。100mOhm电阻并没有串联在输出通路，而只流过几百毫安的电流，损耗100mW。空载检测是行业难题。检测电阻一般在50mOhm，4A电流下会产生800mW损耗，成为损耗的大户。而且空载检测的精度也只能做到50mA，也就是2.5mV。目前业界最好的水平是10mOhm检测电阻，检测30mA电流。小米电源细节特点小米电源细节特点5、手机智能识别小米移动电10400mAh采用TI的tps2514芯片，很多人误以为这是颗MOS，实际是用于手机智能识别的小芯片。目前移动电源大多数不能智能识别手机类型，只是固定地将DD-短接或接到2V和2.7V。小米电源细节特点6、过温保护过温保护是很多厂家为省成本省掉的。小米算是比较有良心的公司。移动电源虽然便宜，但揣在身上是个炸弹。任何的保护都不为过小米电源细节特点7、采用了4颗6mOhm的MOS小米10400mAh移动电源在用料上还是舍得花钱的，要知道每颗MOS需要几毛钱人民币。小米电源细节特点8、电池保护小米10400mAh移动电源采用了1颗锂电保护芯片、2颗MOS和一个10mOhm熔丝做保护。标准的电池保护方式。这也是因为小米选用的TI芯片不能做完善的电池保护所致。优秀的芯片是可以对电池进行全方位防护的，甚至不需要再另加电池保护。小米电源细节特点9、LG电芯小米采用的是传统的锂电池电芯，而非更好的聚合物电芯。当然是成本的考虑。他们也是需要在成本和用户体验上权衡的。毕竟LG愿意贴给小米。10、铝外壳小米是个懂得营销的公司。时尚不时尚，长得时尚最重要。当然散热也绝对是一个重要的考虑。小米电源细节特点11、电量显示LED小米10400mAh移动电源的电量显示确实不上档次。这和成本预算应该有关系。另外想把板子做小，加个液晶屏也不合适。但四颗LED灯确实又不符合小米想体现的科技感。面积、成本和用户体验是个艰难的平衡过程。真正致命的不是寒碜的问题，小米对于电量检测采用的是最简单的电池电压检测。如果瞬间插入适配器或手机可能会导致灯来回跳。目前小米产品的显示方式还在改进。小米电源细节特点12、0402电阻的应用手机电阻用在移动电源上就是为了让板子看起来小小米电源细节特点小米10400mAh移动电源显然想用TI的芯片、LG的电芯、Abov的MCU告诉用户这是个很好的产品，并使用手机用的电阻等方式刻意做小PCB面积，树立高大上的形象。然而这显然不是最好的方案，无论从性能、元件个数或PCB面积，很多细节还没有处理很好。下面列举我们发现的一些问题，实际很多问题是选择芯片方案所带来的。PartFour小米电源存在问题04小米电源存在的问题1、空载检测问题：手机充满电后，移动电源没有待机，还在一直放电的状态。后来发现将10mOhm电阻换成100mOhm电阻。这涉及到空载检测的问题，前面有分析。2、小米10400mAh移动电源不能同时充放电：移动电源同时插适配器和苹果手机，手机显示不能充电。这个涉及到同时充放的负面问题。同时充放电时，输入和输出直接连接，当适配器电流能力不能支持后面充电手机时