电源管理模块功能与原理

电源管理模块功能及原理-----------------------作者：

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复合线路滤波器及其应用

摘要：在分析了锂离子电池的充电过程和bqTINY-II系列电源管理芯片功能特点的基础上，设计出了一种以bq24020芯片为核心的电源管理模块，并详细介绍了该模块的功能和工作原理。

关键词：锂电池；USB电源；恒流充电；恒压充电

0 引言

便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。近年来开发的高能量密度的锂离子电池具有体积小、容量大、待机时间长等特性，非常适合便携式系统的应用。

在便携式电子产品的设计过程中，其电源管理模块的设计是十分重要的，因为这关系到整个系统工作的稳定性、持续性及快速恢复的能力问题。尤其是在使用锂电池作为系统电源时，其电源管理模块的作用更加突现。本文针对锂电池充电的特点，介绍了一种基于bqTINY-II的便携式电子心音检测仪电源管理模块解决方案。

1 锂离子电池充电过程

锂系列（锂离子或锂聚合物）电池的充电过程分为3个阶段，如图1所示。

图1 三阶段充电流程图

第一阶段为检验和预充电阶段。该阶段主要的任务是：验证电池的温度并将其调整到适合快速充电的范围内；检测电池电压并将其提高到一个安全水平。温度检验和预充电提高了电池的安全性和使用寿命。

第二阶段将以“1C”或略低的电流进行恒流充电。一旦电池达到它的电压限幅4.1V 或4.2V，则已完成对大约70％的容量的充电，并进入第三阶段充电。

第三阶段是对电池进行恒压充电，为了使安全性和电量达到最大化，需要将充电电压稳定在±1％的精度内。在恒压充电阶段，充电电流逐渐变小，并且在大多数情况下，当这个充电电流接近快速充电电流的10％，即C/10时，充电过程就结束了。

2 基于bqTINY-II的电源管理模块

bqTINY-II是TI推出的电池充电管理芯片，它为电源系统设计人员带来一套集成解决方案。该芯片将自动电源选择、功率FET和电流传感器、高精准度的稳流和稳压能力、充电状态显示和充电中止等功能集为一体。它的一个重要特点是其可以选择两种充电模式，支持目前流行的USB接口充电。

bqTINY-II支持三阶段的充电程序如图1所示，包括预充电调节阶段、恒流充电阶段以及许多设备制造商都要求的高精准度恒压充电阶段。bqTINY-II的功耗极低，当系统未连接至电源时，bqTINY-II就会进入低功耗休眠模式，它此时只会从电池汲取非常少的电量。

2.1 示意电路图

该方案的示意电路如图2所示，该原理图以bq24020芯片为核心，配以必要的外围元器件。由于bq24020芯片的高集成化，使得所需的外围元器件大大减小，只需要3颗滤波电容和1颗用于设置AC预充率的电阻即可。

图2 bq24020的电源管理示意图

图2所示电源管理模块有4个输入接口，4个输出接口和一个公共地。其中4个输入接口为：交流适配器AC接口、USB取电接口、充电使能信号CE、USB充电点设置；4个输出接口为：电源输出、电源温度信号输出、2个充电状态指示输出。

面向应用系统的6个接口的参数说明如下：

VCC为电池电压输出口，本电源模块通过该口输出电流，向应用系统供电。

TS为电源温度状态信号输出，该信号由电池舱内的10kΩ的负温度系数电热调节器所产生。应用系统可以通过将该接口的电压与电源地相比较来判断电源目前温度状况。 CE为bqTINY-II芯片的使能控制信号，该信号为低电平时充电电路工作，高电平时芯片停止工作并进入低功耗休眠模式。

ISET2接口用于控制USB充电时的参数选择。由于USB接口分为大功率

（500mA）和小功率（100mA）两种，因此系统必须对其进行识别。识别完成后系统可以送低电平信号到该接口，使得芯片选择100mA模式进行充电或者送高电平选择500mA。如果系统不想使用USB模式进行充电，可以将该接口置为高阻态。

STAT1和STAT2为充电状态显示信号输出，该信号可以直接驱动多个LED进行状态指示或送至主处理器供其作进一步处理。

2.2 功能描述

1）三阶段充电自动控制功能

检测电池的电压，如果低于预定阈值电压，就要先进行涓流充电，即电池预充阶段；

电池电压上升到预设值（一般设为2.9V）时，充电方式改为全电流充电，即进入恒流充电阶段；

当电池电压达到最大电压（锂离子电池一般为4.2V）时，开始改为恒压充电，此时充电电流逐渐降低，进入恒压充电阶段；

当电流逐渐减小到预设值时，充电过程结束。

2）供电电源自动选择

bqTINY-II支持两种电源输入，默认的是把AC适配器作为输入源。如果没有AC适配器，芯片就会选择USB作为输入电源。如果两种输入都存在，则优先选择AC适配器。

3）电池过热保护功能

bqTINY-II通过测量脚TS和VSS之间的电压来监测电池的温度。bqTINY-II内部含有一个电流源，利用这个电流源为10kΩ的负温度系数电热调节器提供偏置。bqTINY-II通过比较脚TS和内部的阈值电压V LTF、V HTF来决定是否进行充电。当

V TSV LTF时，就会停止充电。bqTINY-II只是通过关闭电源的FET来暂时停止充电时，并没有重新设置定时器。当温度恢复到正常值时，充电就会继续。用户可以通过两个额外的电阻来改变温度范围，如图3所示。

图3温度传感器范围调节

4）电池预充机制

在一个充电周期中，如果电池电压低于V LOWV，bqTINY-II就会利用预充电流

I o(PRECHG)来对电池充电，这样就可把电池中过度放电的离子激活。在ISET1、VSS之间的电阻R SET决定了预充率。这种特性对于AC和USB充电都适用。

bqTINY-II会在预充电期间设置一个定时器。如果在这个定时器设置的时间内电池电压没有达到V（LOWV），bqTINY-II将会停止充电，并且在脚STATx上显示出错信息。

5）充电电压自动控制功能

bqTINY-II的脚OUT直接和电池的正极相连，芯片通过此引脚采集电池的反馈电压，然后比较采集回的反馈电压和VSS引脚之间的电压差值，从而完成对电池电压的监测。当电池的电压上升到V o(REG)时，恒压充电开始，充电电流开始减小。

为了安全起见，在充电期间bqTINY-II也监视充电时间。如果在规定的充电时间

t(CHG)期间未完成充电，bqTINY-II将会停止充电，并且在STATx引脚显示出错信息。 6）充电状态监测（自动终止和重新充电功能）

在恒压充电阶段bqTINY-II一直监视充电电流。一旦预设的I(TAPER)被检测到，bqTINY-II就启动TAPER定时器（见图1）。当规定的时间到达后，充电过程结束。连接在ISET1和VSS之间的电阻R SET决定了TAPER的长短。

如果充电电流恢复到I（TAPER），bqTINY就会重置Taper定时器。另外，如果充电电流小于I（TEMP），则会终止充电。这样就可以快速识别出电池的移出和已经充好的电池的插入。注意，这种特性就会使充电计时器和Taper定时器失去效用。连接在脚ISET1和VSS之间的电阻R SET决定了TAPER电流的检测门限。

充电完成后，bqTINY-II一旦检测到脚OUT的电压低于V RCH，就会重新启动充电。这样就会让电池一直处于满充的状态。

7）自动休眠功能

当系统没有连接AC和USB电源时，bqTINY-II就会使模块进入低功耗休眠模式。这种特性可以防止没有外部输入时电池漏电。

8）充电状态信号输出

表1列出了STAT1和STAT2的输出所表示的充电状态。这些状态引脚输出的信号可以用于驱动多个LED或送至主处理器作进一步处理。

表1 充电状态输出信号表

＊OFF是指芯片输出通道晶体管对STAT1或STAT2引脚处于关闭状态

2.3 工作流程图

电源管理模块的工作流程如图4所示。当有外部电源（AC或USB）输入，且模块使能信号CE为低电平时，芯片开始工作。

图4 模块工作流程图

芯片首先比较输入电压V IN与电池电压V OUT的高低。如果V OUT高于V IN则说明电池处于满充状态，此时电池不需充电，芯片转入休眠状态，否则进入充电程序。

进入充电程序后模块首先检测电池电压V OUT是否高于进行电池快充所需电压

V LOWV，如果满足条件则进入电池快充程序，即高精确准度恒压充电。否则模块对电池进行预充，即涓流充电，直到电池电压上升到V LOWV以上才进入快充程序。模块进入预充或快充程序时都会设置相应的计时器，以保护电池不被过充，提高电池使用寿命。

电池如果预充超时，则模块进入充电错误处理程序，并在脚STATx输出出错信息。模块首先检测电池是否可用，即检测电池电压V OUT是否大于预先设定的电池再充电压V RCH。条件满足则充电程序重新开始，否则激活计时器错误恢复电流等待条件满足。

如果在恒流或恒压充电阶段计时器超时，则模块进入充电错误处理程序。如果在恒压充电后期电流逐渐减小到规定值阶段计时器超时，则充电程序结束。

3 应用实例

便携式电子心音诊断仪是一种手持式心音辅助诊断设备，具有体积小、重量轻、使用方便、检测迅速、结果准确等优点，为医务工作者工作效率的提高起到了重要作用。本文介绍的电源管理模块在该设备的设计方案中得到了应用。该设备使用一块锂电池供电，采用bq24020作为电源管理核心控制芯片，通过STAT1和STAT2端口向系统主控芯片输出电源状态，系统主控芯片通过输出CE信号控制bq24020进行工作，通过设置ISET2状态对USB充电模式进行选择。系统还可以检测TS接口信号来获得电池温度状况。

4 结语

bqTINY-II的各项新特性使便携产品的充电控制和供电管理设计更加容易，对电池的保护也更加完善，无论从成本、性能还是系统可靠性方面来衡量，用bqTINY-II来设计的电源管理模块都能满足需求。本文所介绍的电源管理模块采用bqTINY-II系列芯片为核心，这是一种低成本锂离子充电方案，可以使用廉价的可插到墙上的稳压器或者使用当前流行的USB接口供电。由于它的高集成度和电路板占用空间小，几乎完全消除了高端设备的功率耗散问题，是一种理想的便携式设备电源管理模块。

电子产品为实现小型、轻便和低功耗,现已普遍采用开关电源。但是,由于开关电源电路造成城市电网高次谐波污染,易导致交流市电供电设施烧毁,为此,世界各国都按照IEC-61000-3-2规格,对开关电源的高次谐波污染严加限制。在21世纪国际市场上流通的开关电源产品,必须符合IEC-61000-3-2规格要求。

在开发抑制高次谐波的开关电源过程中,普遍遇到的棘手问题,即产生出新的干扰,致使噪音对策复杂化。本文介绍一种复合线路滤波器(Line Filter),它能消除开关电源高次谐波对策中出现的共态噪声(Common Mode Noise)和常规模式噪音(Normal Mode Noise),特别是能充分发挥开关电源高次谐波对策(有源滤波方式)的威力。

一、新问题及其对策

为解决开关电源对市电网的高次谐波污染问题,电子产品制造厂商开发出很多开关电源的输入电路,可归纳为如下的两类:(1)扼流圈输入(Choke Input)电路是电源(Passive)对策方式;(2)有源滤波器电路是属于有源(Active)对策方式。这两种电路分别如图1(a)和图1( b)所示;其中,图1(a)所示的扼流圈输入电路,由于扼流圈体积庞大而且笨重,应用上有很大局限性;图1(b)所示的有源滤波器电路的优点是抑制高次谐波十分有效,而且便于实现小型化和轻便比,很遣憾的是也有美中不足。

1.新问题

有源滤波器电路在解决高次谐波方面值得称道,但它导致产生新的干扰问题:(1)共态噪声—它是在信号线与地线之间产生干扰,由于在信号线间这种噪声的相位和振幅都是共同的,故叫作共态噪声;(2)常规模式噪声—它是在线与线之间产生的干扰,故亦称线间噪声,不平衡噪声或差动噪声等。共态噪声和常规模式噪声的传播通路分别如图2(a)和图2(b)所示,在开关电源高次谐波对策电路里,这两种噪声都很大,必须采取新的抑制措施。

2.噪声滤波器电路

鉴于防止高次谐波的开关电源常用有源滤波器方式,以下主要介绍该方式里出现的噪声应如何采取相应的对策。但是,各个厂家为了使其产品符合限制噪声电平的要求,往往采

取各种各样的噪声对策。本文因篇幅所限,不能一一介绍。以下,仅就标准的噪声滤波电路,作简单说明。

一般AC电源的噪声滤波器电路,如图3(a)所示。其中,Lc是消除低频带共态噪声的线路滤波器(共态扼流圈),通常共态电感中约有1%左右的常规模式电感成份,多少也有点消减常规模式噪声的作用。图3(a)中的Cx是担负消减低频带常规模式噪声的跨线电容器(Across the Line Condenser)(简称x电容器),Cy是消除高频带共态噪声的线路旁路电容器(简称y电容器);由于它们是配置在信号线与地线之间,对于削减常规模式噪声也多

少有些贡献。实际上,这种线路滤波器里也包含有常规模式电感成份,确切地表示时请参阅图3(b)所示的等效电路。

克服开关电源高次谐波问题,有源滤波器方式的开关电源电路是很实用的。但是, 它带来的常规模式噪声成份也确实不少。当这种噪声衰减不够充分时,不得不附加上常规模式扼流圈,详见图3(c)所示。一波未平,一波又起。一旦又附加上常规模式扼流圈,使滤波器电路里的电子元器件个数增加,焊点加多,体积膨胀,都成为急待解决的新课题。此外,也有要在线路滤波器上追加x电容器的情况,这时随之而来的是成本、重量和面积等都相应增加。

二、复合线路滤波器

为了解决上述的新课题,日本松下电器采取复合线路滤波器设计、制造方法,获得满意的结果。它是以已有的线路滤波器(共态扼流圈线圈)为基础,扩充有常规模式扼流圈线圈,形成复合滤波器可以削减电子元件连接点数和节省空间。

1.基本结构

通过在以往的线路滤波器的绕线骨架里嵌入磁性元件,设计出兼备形成标准模式电感的磁路。在考虑铁芯磁饱和条件下,对共态电感和标准模式电感进行综合平衡设计。松下电器公司成功地设计、制造出线路滤波器带有两个常规模式扼流圈的一体化复合线路滤波器新产品,堪称是功能综合,结构紧凑,小型轻便。

2.新产品规范及其特点

松下电器公司开发的25C型复合线路滤波器的系列规范如表1所示。用户可根据自身的机器产品开发需求,从25C型复合线路滤波器系列产品中自由选购。

25C型复合线路滤波器系列产品是在充分仔细分析标准滤波器原理的基础上,合理地吸收以往的线路滤波器生产经验进行开发的新产品。其主要特点如下:(1)一体化的滤波器,

结构小巧,节约安装空间;(2)磁路设计巧妙和线圈绕制上下工夫,促使该滤波器具备很大的电感量;(3)允许通过大电流,非常适合于作为开关电源的滤波器;(4)漏磁通量很小。

关于磁漏问题,值得提及是因为复合线路滤波器里灵活地利用漏电感的关系,线圈周围的漏磁有所增加。人们不禁要问,这难道不影响图像机器的画质量吗?实测表明,单纯同以往的线路滤波器相比,确实漏磁稍大一些,但是,在复合线路滤波器里,采用一体型“日”字型铁芯,由于漏磁产生的影响远比想像的低的多,不足为虑。

3.应用实例

在有源滤波器方式的开关电源里,曾用复合线路滤波器、1个线路滤波器附加有2个常规模式扼流圈和单纯1个线路滤波器,进行消除噪声的应用实验。结果表明,复合线路滤波器和由1个线路滤器附加2个常规模式扼流圈的组合应用效果是等同的,能很好地消除共态噪声和常规模式噪声。单纯1个线路滤波器的情况,滤波效果不佳,特点是不能清除150400KHz的低频噪声。

复合线路滤波器在保证滤波性能的前提下,可以削减重量和安装空间。综上所述, 复合线路滤波器确实有独到的优点,为防止高次谐波的开关电源扫清了噪声的影响。作为开关电源里用于滤掉共态噪声和常规模式噪声的复合线路滤波器,将在很多电子机器(照明电子机器、模拟和数字化AV机器以及信息处理机器)里获得广泛应用。

三、小结

复合线路滤波器虽然不是什么大发明,但是它是综合利用电子元件的一种创造。它能有效地抑制由于开关电源防止高次谐波而产生的干扰,无疑对我国开发面向21世纪开关电源,不无参考价值。