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软件三合一同步整流移动电源方案

软件三合一同步整流移动电源方案
来源:我爱方案网 时间:2014-01-22


【导读】感谢芯海科技工程师赖工的投稿!本方案采用芯海自主研发的OTP单片机CSU8RP3427作为系统主控 芯片管理整机充电和放电全过程。由于主控芯片具有基准电压校正功能,可保障批量生产时的一致性。相对传统的分立方案和硬件三合一方案,该方案兼顾了效率高、发热低、成本低等需求。  


  移动电源三合一同步整流     方案背景  

 近年来,数码产品机型越来越小巧轻薄,显示屏越来越大,功能越来越多,也就是说,耗电量越来越大,然而电池却越做越小。一个移动电源可解决手机、数码相机、数码摄像机等众多数码产品的多次充电,特别在野外断电的情况下即可为数码产品续航!  

 目前移动电源市场的竞争非常激烈。品牌产品上不断在外观和推广手段上进行创新,销售业绩屡创新高。低端市场,则在前面一年的乱战后,在近的半年时间完成了一轮大洗牌,没有规模及成本优势的方案商和小厂被淘汰。一部分有实力的厂家成为品牌厂商的OEM或者ODM厂。  

 从天猫销量数据分析来看,移动电源芯片市场上主要有五大流派。市场总量约为15KK/月~20KK/月。市场份额占比分别是:传统分立的占50%左右,软件三合一 30%,硬件三合一15%,其他单DC-DC加充电管理等占5%,其中前两种主要针对中高端市场,性能稳定,效率较高。而硬件三合一的外围器件虽少,但发热比较严重。  

 由于软件三合一在综合性价比上占有优势,也可以给硬件工程师带来方便,成为主流是必然趋势。  

  移动电源三合一同步整流方案  

 本方案采用芯海自主研发的OTP单片机CSU8RP3427作为系统主控芯片管理整机充电和放电全过程。方案具有效率高,纹波小、系统安全性、稳定性高的特点,由于主控芯片具有基准电压校正功能,可保障批量生产时的一致性。相对传统的分立方案和硬件三合一方案,芯海同步整流三合一方案兼顾了效率高、发热低、成本低等需求。  

  方案硬件框图  


了解详细请下载>>     APN_CSU8RP3427移动电源应用笔记  

  关于主芯片CSU8RP3427  




 8位RISC架构、带12-bit ADC的高性能单片机。该款芯片具有4K*16位程序存储器、256 Byte SRAM,8级PC存储堆栈。内部32MHz高速晶振、12位PWM,为高速开关控制提供极大的便利。芯片外围配置简单,内部自带放大器、比较器、温度传感器和5个内部AD参考电压,可节约电路成本。该款单片机拥有卓越的驱动能力,在5V环境下可达40mA。此外,其VDD过压自检功能能够实现更加快速的过压保护响应,4*5 LCD驱动功能令电路更加简洁,稳定。此两款芯片非常适合移动电源、小家电领域的设计。  



  移动电源三合一同步整流     方案特点:  

 输入5V/1A;输出5V/2.1A  
 自动负载检测,充电USB插入检测功能  
 具有边充边放功能  
 具有过流降压功能  
 具有双口单独限流功能  
 2A输出纹波小于100mV  
 保护机制:过放保护,过充保护,短路保护  
 按键,电量显示,照明灯等功能可定制  
 系统静态功耗小于20uA  

  充电性能:  

 输入电压5V/1A  
 恒流:电池电压≥3.0V时:800mA±50mA  
 恒压:4.2V±1%  
 判断饱和条件:电压≥4.2且电流≤90mA  

  放电性能:  

 带载输出电流:5V/2.1A  
 放电效率:3.7V@1A平均效率≥87%,3.7V@2A平均效率≥85%  
 过流保护:USB≥2.3A过流保护  
 输出纹波:3.7V@2A纹波小于100mV  
 输出截止电流:50mA±30mA  

  LED灯显示:  

 电压<3.0V,关机  
 3.30V<电压<3.45V,LED1闪烁  
 3.45V<电压<3.65V,LED1常亮,LED2闪烁  
 3.65V<电压<3.85V,LED1,LED2常亮,LED3闪烁  
 3.85V<电压,LED1,LED2,LED3常亮,LED4闪烁  

  按键:  

 输出休眠模式之下,短按按键,显示当前电量5秒后LED关闭;同时输出打开,如无负载,8秒之后关闭输出。  
 连续两次短按按键,照明灯亮,再连续两次短按按键,照明灯灭。  

  电池保护板:  

 过充保护电压:4.2V±50mV  
 过放保护电压:3.0V±50mV  

  功耗:  

 整机静态功耗:≤20uA  

  方案设计难点:  

  (1)纹波要求  

 纹波是移动电源的重要指标,如果纹波太大,对手机充电会造成比较大的影响,甚至会损坏手机。所以对于移动电源来说,纹波做得越小越好。  

 移动电源的纹波跟PWM的速度息息相关,PWM速度越快,相对纹波可以做得越小。芯海自主研发的CSU8RP3427是专门针对移动电源而开发的芯片,PWM速度可以达到32MHZ,对纹波性能的提高起到比较好的作用。  

 本方案采用的是两个47uF的陶片电容并联,USB口端接2.2uF的陶片电容,3.7V@2A的纹波小可以达到90mV  

  (2)效率要求  

 放电效率也是移动电源的重要指标,如果放电效率提不上去,功能做得再好对于移动电源来说都是毫无意义的。  

 进行PCB布板时,通过大电流的充电线路和放电线路,器件尽量靠近一些,线尽量短、粗(尽量达到2.4mm以上),尽量在同一层。如果由于板子所限,也要优先考虑这些网络线路,因为关乎整个系统的电能转化效率。  

 系统里面有几个发热元器件:电感(L1)、     二极管    (SS34)、8205、、DW01,主控IC应该尽量远离发热源,电感背面尽量不要摆放有源器件、铺铜。  

 本方案采用的是同步整流的方式进行放电管理,对整体效率的提高起到比较好的作用。3.7V@1A平均效率≥87%,3.7V@2A平均效率≥85%  

  (3)小放电电流要求  

 市场上的移动电源对于小放电电流要求在50mA±30mA,如果采用 0.05Ω的采样电阻,对应的就是2.5mV的电压点。如果MCU的ADC精度达不到要求或者性能不稳定,对于小电流的采集将是一个比较大的难题。  

 CSU8RP3427自带的SAR_ADC精度可以达到12位,完全可以满足小电流采集的要求,而且还带有自校正的内部参考电压功能,内部参考电压精度可以精确到1%以内,也对批量生产的一致性起到比较好的保障作用。  

 本方案采用CSU8RP3427作为主控芯片,小电流可以做到50mA±30mA,而且一致性比较好。

  Demo板实拍图  

  正面:  


  背面  


  BOM 清单  




  芯海科技其他可选方案:  

  移动电源方案:    芯海科技目前有CSU8RP3119 /CSU8RF3421 /CSU8RF3422 /CSU8RF3423 / CSU8RP3427  /CSU8RP3429等全系列芯片,用于移动电源三合一同步整流方案,其中CSU8RP3422和CSU8RF3423可用于驱动LCD的移动电源三合 一方案。 另有CSU8RP3116可用于传统分立方案,也是和SN8P2711 pin to pin的,有不错的性价比优势。  

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  开发者简介  

 赖工,毕业于华南农业大学电子科学与技术专业,从事高精度测量领域,小家电产品开发多年。拥有多项软件设计著作权,并且成功开发出二十万点以上高精度天平,酒精测试仪,感应卡锁等方案也得到了业界的认可。目前主要专注于移动电源标准方案研发和设计。 2013年曾经在《工业控制计算机》杂志社发表《基于单片机的自动投切     开关电源    设计》论文并取得比较好的反响。  

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