SOC 芯片CSU8RP3119可為客戶省去充電管理芯片、DC-DC 的升壓芯片、外置的基準源，簡單的外圍，低功耗的休眠模式，高效率的電能轉(zhuǎn)換以及高品質(zhì)的性能和高安全性的軟件設(shè)計，為客戶提供最具競爭優(yōu)勢的單芯片的移動電源解決方案。

使用芯片自帶的兩路高速PWM(16M)和四路高性能ADC(12bit，死區(qū)小于3mV)以及特有的基準源數(shù)字校正專利技術(shù)，CSU8RP3119 無需外圍其他IC，即可實現(xiàn)效率高達93%的同步整流移動電源，在2.1A 輸出條件下，效率仍然高于88%。一、 系統(tǒng)設(shè)計

移動電源由充電管理、供電管理、輸入檢測（USB-IN/KEY-IN/LOAD-IN）、顯示輸出（電量/照明）組成（見圖1）

 

1.1 充電管理

充電過程中，芯片PWM2 口向降壓電路提供32KHZ 的PWM 將5V 輸入電壓降到4.2V 以下對移動電源進行充電,為了使移動電源的電池電壓線性上升,程序中采用涓流、恒流、恒壓的充電方式對移動電源充電。（如圖2+圖3 ：PWM2 控制PMOS 開關(guān)管AO3401，通過電感L1 向電池BAT+充電）

 

1.2 供電管理

放電過程中，芯片PWM2和PWM3口分別控制PMOS管AO3401 和NMOS管H8205將輸出端的電壓升到5.2V，對外圍設(shè)備進行供電。在對外供電的同時，檢測負載端電流的大小和電池電壓，防止負載過流和移動電源電池過放。（如圖 2+圖3 ）

1.3 輸入檢測

移動電源充電取決USB-IN 是否使能，供電可以通過KEY-IN 或者LOAD-IN（負載接入檢測）來啟動，雙擊KEY-IN 可以開關(guān)照明燈。

1.4 顯示輸出

移動電源電量指示燈是通過檢測電池電壓的ADC 值來變化的，充電過程中，隨著電池電壓的升高，電量指示燈會逐漸遞增，電池充滿時，電量指示燈全亮。相反，供電過程中，電量指示燈也會隨著電池電壓的減小而逐漸的減少，直至電池過放保護，所有的電量指示燈全滅。

二、 軟件設(shè)計

2.1 充電管理的軟件設(shè)計現(xiàn)在市面上大多數(shù)移動電源都通過電源管理芯片TP4056/5056 來實現(xiàn)對移動電源進行充電管理。雖然專用的充電管理芯片控制起來比較方便，但是成本會大幅提高?；贑SU8RP3119 的移動電源應(yīng)用通過軟件控制PWM2 的正寬頻和采集電池電壓以及充電電流的ADC 來實現(xiàn)充電管理。正因為是降壓充電，所以充電的PWM 頻率不需要太高，目前應(yīng)用中采用32KHZ 的頻率。在PWM 頻率固定的情況下，通過軟件來實時調(diào)整正負寬頻的比例來實現(xiàn)不同時段的充電管理。

（A）、低電壓階段的涓流充電管理設(shè)計

由于電池過放保護后，電池的電量較低，如果一開始就用恒流的方式給電池充電，極易造成電池浮充，電量指示燈會急速變化，給用戶造成錯覺，并且容易產(chǎn)生大電流沖擊電池。通過采集電池電壓ADC 的數(shù)據(jù)，換算成當前電池的電壓，當電池的電壓值小于3.3V 時，對電池進行涓流充電，保證電池的電壓在低電量的時候線性上升，涓流充電電流為0.01C（C 為電池的容量）

（B）恒流充電管理設(shè)計

如果用大電流對移動電源進行充電， 電池的溫度會快速升高，電池里的化學(xué)物質(zhì)會加速老化，不僅會減短電池壽命，甚至可能出現(xiàn)爆炸。所以在充電過程中引入恒流充電。當電池電壓沒有達到恒壓階段（4.2V）時，要對移動電源進行恒流充電，由于充電過程中，電池的電壓會不斷的上升，為了保證恒定的充電電流，需要對降壓的PWM2 正負寬頻進行實時的調(diào)整。恒流充電時，通過采集流經(jīng)電池端的電流的ADC 通道的數(shù)據(jù)，換算出當前的電流大小，以800MA 的恒流電流為例，當充電電流小于770MA 或者大于830MA 時，通過調(diào)整降壓PWM2 的正負寬頻來讓充電電流保持在800MA 左右。

（C）、恒壓充電管理設(shè)計

由于鋰電池電芯過充到高于 4.2V 后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉， 讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，因此，鋰電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限， 才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。為了防止電池過充，當電池的電壓上升到4.2V 時，對電池進行恒壓充電， 一旦進入恒壓充電階段，充電電流會慢慢的減小，由于充電電流減小，所以要不停的調(diào)整降壓PWM 的正負寬頻，讓充電電壓維持在4.2V，當充電的電流小于100MA 時，則認為移動電源已經(jīng)充滿，此時需要關(guān)掉降壓的PWM2。

2．2 供電管理軟件設(shè)計

普通的移動電源是通過升壓的DC-DC 的芯片（M3LD/SY7208）進行升壓供電，并且由于DC-DC 芯片的局限性，供電端需要大的工作電流時，還得在DC-DC的外圍電路上增加MOS 擴流。不僅電路上元件沒有減少，而且成本還非常貴。CSU8RP3119 的移動電源應(yīng)用方案利用芯片自身的兩路高速PWM，分別同步控制PMOS 和NMOS 管，給供電端進行升壓，為了給供電端提供穩(wěn)定的5.2V 的恒定電壓，軟件需要針對不同負載不同的電流進行快速的PFM 調(diào)整，讓供電端的電壓維持5.2V 不變。由于供電端接入的負載電流不確定性，所以供電端5.2V的調(diào)整反應(yīng)要比其它的電流和電池電壓檢測要更快速。

2．3 用軟件校準內(nèi)部1.4V 電壓，為整個移動電源提供高精度的基準源

目前市面上多數(shù)移動電源都采用外部基準源（TL431 或HT7533）給芯片的ADC 提供參考電壓，不僅占用了MCU 的IO 口，更重要是增加了方案的成本。CSU8RP3119 的移動電源用MCU 內(nèi)部的1.4V 的電壓作參考，但內(nèi)部1.4V 的本身的域值太寬（1.35-1.45V），無疑給AD 的測試帶來極大的誤差。為了不額外增加外部基準源的成本，又要保證基準源的一致性和準確性，芯?？萍疾捎昧霜氂械膶＠夹g(shù)，對基準源進行數(shù)字校正。通過出廠前對基準電壓的測試，得出一個初步的校準系數(shù)，在程序上電時，先讀出這個校準系數(shù)，每次采完AD 數(shù)據(jù)后，把采到的AD 值與校準系數(shù)相乘的結(jié)果除以8000H，得出修正后的12 位最終AD 結(jié)果。(用內(nèi)部1.4V 作參考時AD 校準方法如圖4)

2.4. 軟件用反證法來測試移動電源的電池電壓，讓測試結(jié)果誤差更小

為了保證電池電壓測試的準確性，所以軟件特地用反證法來測試移動電源的電池電壓，方法如下：用Vbat 作參考，來測試內(nèi)部1.4V（即1.4V 作ADC 的輸入信號），由于內(nèi)部1.4V的值已經(jīng)校準過了，雖然電池電壓會隨著充放電的時間作線性變化，但是程序運算后的結(jié)果同樣在作線性變化,同步保證測到的AD 值與Vbat 的變化高度一致。軟件的計算方法如下：

其中K 為上電E 方中內(nèi)部1.4V 初步校準系數(shù)NA 為Vbat(電池電壓)作參考，用1.4V 作AD 輸入采到的AD 值上述公式可以等效為：

即 1.4V 作輸入除以Vbat 參考，乘以12 位AD 全碼4096 得出校準后的最終的AD 值， 所以 NA*8000H/K 的計算結(jié)果就是我們最終的結(jié)果。

2.5 用軟件防止供電端空載或者大電流拔掉負載時產(chǎn)生電壓過沖

啟動供電管理的升壓電路后，若供電端無負載或者大電流過程中突然拔掉負載時，由于兩路PWM 正寬頻會保持當前的狀態(tài)，所以一旦供電端無負載就會出現(xiàn)5.2V 過沖的現(xiàn)象，如果不加控制的話，有時候電壓會沖高到7V 以上。為了保證供電端不出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，軟件中采取了以下的保護機制：

（A） 、減小5.2V AD 通道的采樣時間（300US）。

（B） 、減少5.2V AD 通道采樣的平均次數(shù)。

（C） 、在5.2V 電壓超過5.5V 時，直接關(guān)斷升壓的兩路同步PWM。

（D） 、當供電輸出端的電壓低于4.9V 時，重新啟動升壓的同步PWM。

（E） 、程序主循環(huán)中每300US 檢測一次5.2V 的ADC 通道，每次在300US 內(nèi),程序除了采集5.2V 的ADC 通道外，只另外做一項工作，如掃鍵或者檢測電池電壓或者檢測放電電流，這樣可以對5.2V 進行快速的調(diào)整，但是又不耽誤運行其它的程序。

通過這些措施，可以把過沖電壓控制在6.2V 以下，達到手機通信接口對輸入電壓異常脈沖的安全要求。

2.6 軟件中產(chǎn)品安全性設(shè)計

（A）、充電過程中檢測到電池電壓低于 2.4V 以下時,不啟動降壓PWM，防止電池長時間不使用漏液產(chǎn)生危害。

（B）、充電時針對不同的電量采用涓流、恒流、恒壓的模式，保證電池線性充電。

（C）、充電電流大于 1.25A 時,要自動關(guān)斷降壓的PWM2,防止充電電流過大損壞電池。

（D）、供電過程中電池電壓低于 2.8V，關(guān)斷同步鎮(zhèn)流的兩路PWM，防止電池過放。

（E）、升壓端的電壓超過5.5V 時，會關(guān)斷升壓的同步PWM，為了防止過沖，程序中300US 就會對電壓過沖作處理。（F）、 5.2V 輸出端的做了過流保護，在大電流過流的情況下，芯片20MS 就會作相應(yīng)的保護動作。

(G)、 為防止電池用久了之后，沒有辦法達到恒壓的電壓時，在電池電壓為4.15V時，作定時充電或者恒流充電狀態(tài)檢測PWM 正寬頻和小電流，防止長時間充電。

 

 

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