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作者：深圳市致尚微電子有限公司 楊帆 隨著智能移動設備性能的不斷提升，電池越來越不堪重負，移動電源產品隨之發展壯大，此外，用戶需求的提升也要求產品朝著靈活設計的方向發展。目前市場上的鋰電池充電管理IC大多為1A線性充電，其缺點表現為：1A的線性充電溫度很高、片上熱阻損耗嚴重，導致線性電池充電管理IC的電流很難做到2A，即使通過外擴MOS做到2A，溫度也比較高，而且轉化效率在70%左右，因此，開關充電就顯得非常必要。目前市場上對鋰電池充電管理IC的需求主要是：2A~3A大電流集成MOS、開關式效率達到90%以上，以及低溫充電管理IC。另外，多功能的集成芯片越來越受歡迎，包括開關充電管理、電池電量檢測顯示、同步升壓輸出限流等功能集成于單一芯片之上成為當今的發展趨勢。 集成多功能，低成本更可靠 “三合一”、“五合一”芯片受到市場歡迎。ZS6366即是一款應用于移動電源，集成了開關鋰電池充電管理、同步升壓輸出限流、電池電量檢測顯示、LED手電筒及按鍵控制為一體的便攜式電源管理IC。它以開關方式進行充電，集成了包括涓流充電、恒流充電和恒壓充電全過程的充電方式，浮充電壓精度在全溫度范圍可達±1%，并且具有充電電流溫度低，充電效率高等優點，配合適當的外圍器件可以達到2A甚至更高的充電電流。 在充電狀態下，如果輸出USB同時接了負載，ZS6366的動態路徑調整功能會智能分配輸入電流優先提供給負載，如果負載電流增大，則會自動關閉充電，待負載充電電流逐漸減小到一定值時再打開電池充電，有效地限制了輸入電流，防止損壞供電的適配器或者USB。同時也可以通過按鍵切換充電或放電。 ZS6366的DC-DC升壓可達到±1%的精度，可以提供高達90%以上的升壓轉換效率，同時具有精確的升壓限流功能。ZS6366 配置了4個LED恒流驅動端口，智能顯示電池電量，芯片內置邏輯鎖定功能，防止電量指示的狀態不穩，同時集成了電池真實電壓追蹤技術，跟蹤電芯內部真實電量，防止充放電造成的電壓偏差。另外，ZS6366具有多重保護設計，包括負載過流保護、短路保護、軟啟動保護等，同時芯片端口設計了高性能的ESD保護電路，使得該款芯片具有極高的可靠性。電池放電在2.9V時關斷，有效保護和延長電池充放次數和壽命。 基于ZS6366的應用實例 ZS6366采用同步降壓方式來對鋰電池進行充電，此做法的好處是可以將轉換效率提升至90%以上，并且能很好地規避線性管理IC的溫度高、電流無法做大的問題。而在充電功能、升壓功能及保護功能上都做了非常好的優化，在做到快速充電的同時，提高了可靠性，降低了成本。圖1為基于ZS6366的典型應用方案的系統框圖，圖2為充電過程中的狀態轉換示意，圖3是一個典型應用的電路圖。 
圖1：ZS6366芯片系統框圖。
圖2：狀態轉換圖。 1 開關充電 在充電過程中，ZS6366用開關方式對電池進行涓流/恒流/恒壓三段式充電。當電池電壓低于3V時進行涓流充電；當電池電壓高于3V時進行恒流充電；當電池電壓接近4.2V時進行恒壓充電，此時充電電流開始逐漸減小，當電流減小到恒流充電電流的1/10時，4個LED燈全部常亮，指示電池已經飽和。這時，芯片可選擇電流進一步減小到零，維持浮充電壓；或者終止充電，等待電池電壓降低到一定電壓(VRECHG)時進行復充(Recharge)。 充電時，對電池充電的電流大小由芯片的SNS引腳和BAT引腳之間的采樣電阻RS來設定。恒流充電電流ICharge由下式決定：
涓流充電電流為ICharge的1/8，充滿判斷電流為ICharge的1/10。 電流的瞬時增大會對電池造成傷害，當電池直接進入恒流充電時，ZS6366會控制充電電流逐漸增大到設定值，避免了瞬間大電流沖擊引起的各種問題。 另外，ZS6366具有動態路徑調整功能，保證了USB端負載的優先供電。如果充電過程中，輸出USB同時帶有負載，ZS6366會控制系統給電池充電同時供電給負載；如果VCCS>3.7mV，ZS6366會控制系統優先供電給負載，同時逐漸減小充電電流直到不充電，讓全部輸入電流供給負載，同時達到了輸入限流的效果，如果VCCS<3.2mV，芯片會控制恢復充電。 2. 同步升壓 此方案具有同步升壓功能，可將單節鋰電池2.9V ~4.2V之間的電壓升壓到5V輸出，給負載供電。電池電壓低于2.9V時，芯片系統將判斷為電池電量不足，停止升壓。當VIN電壓低于3.3V時，系統將判斷為電源適配器掉電，并啟動升壓電路。 升壓時，ZS6366通過CS和CSN檢測負載電流，如果負載電流逐漸增加，到達限流值時輸出電壓會下降，直到不升壓(同步整流PMOS常開)。限流值的計算：
同時要滿足:
直觀地講，充電電流和升壓電流是相關的，如果充電電流設定為1A，在電池電壓最低的情況下升壓，升壓時最多能輸出1A左右的電流。如果想增大升壓輸出電流，則充電電流也要相應增加。 另外，ZS6366還具有放電過流保護和短路保護功能，負載電流超過限流電流繼續增大，直至CS與CSN兩端的壓差超過60mV，且維持時間超過1s，則系統啟動負載過流保護功能，芯片關閉USB的輸出通路，進入待機狀態。 3 保護 此方案擁有多種保護功能，可保障器件的正常工作。保護功能包括：充電USB短路保護、升壓USB短路保護、二級短路保護和USB過壓保護等功能。 充電USB短路保護：當充電時USB發生短路，芯片會關閉USB輸出，熄滅電量指示燈，同時繼續為電池充電；短路解除后，短按按鍵可以解除短路保護狀態，USB輸出打開，電量指示燈亮起，16s后恢復充電。 升壓USB短路保護：當電池升壓時，USB發生短路，芯片會關閉升壓，進入待機狀態；短按按鍵可以解除短路保護狀態。 二級短路保護：在某些極限狀態下發生USB短路，芯片檢測不到短路狀態，但仍然可以關閉USB輸出，短路解除后會自動恢復原來狀態，保護器件不被損壞，電池端也不會出現大電流，保護IC不會保護。 USB過壓保護：輸入電壓過高，超過6V時，芯片會控制關閉USB輸出，防止接在USB的便攜設備因為過壓而損壞，指示燈閃爍，提示輸入電壓異常，充電仍然正常進行。輸入電壓正常后狀態解除。 4. 系統其他控制功能 當一個燈以4Hz頻率開始閃爍時，表示系統內部電池電量不足(即電池電壓已經低于2.9V)，需要充電，這時升壓系統已經關閉，LED燈閃爍4s后，系統進入待機狀態。 在無電源的情況下，短按按鍵，啟動5V升壓系統給負載供電，同時LED燈顯示當前電量，維持時間約為8秒鐘，之后LED燈自動關閉，如果在8秒鐘內燈沒有熄滅的時候再一次短按手動開關，則燈會馬上關閉。
圖3：典型應用電路圖。 設計的注意事項 在設計過程中，電阻、電容、電感等元器件的選擇對于系統的正常工作起著非常重要的作用。比如電阻，RS和RCS的精度影響采樣電流的精度，因此推薦使用1%精度的電阻；對于封裝，請根據電阻實際的功率計算，也可以用兩個并聯的形式分散熱量。例如：RS在升壓時流過電流最大為2A，則它最大功耗是2A×2A×0.04Ω=0.16W RFB1和RFB2的精度影響輸出電壓的精度，因此推薦使用1%精度的電阻，如擔心虛焊的問題也可考慮RFB1采樣兩個電阻并聯。 總結 ZS6366運用了比較新穎的拓撲結構，升壓和降壓用同一個電感，不但充電可以做到同步，還支持同步升壓給手機充電，所以在1A~2A輸入充電時效率和溫度表現都很好，同時還集成了運算放大器，可實現精準電量指示，并提供過充過放、過壓、過流、短路、限流保護等功能。 |
