1.参考文献

2.介绍

3.电源管理控制(PMC)单元的设计与实现

4.配电开关的设计与实现

5.LiPo充电器的设计与实现

6.升压DC-DC变换器的设计与实现

7.本设计的延伸

8.结论

参考文献

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介绍

很多智能手机用户有延长电池寿命的需求，使用辅助电源。这可以将智能手机的使用时间延长至6倍(取决于移动电源的容量)。移动电源通常安装在智能手机的背面，并通过充电连接器(闪电或USB)连接。为了增强用户体验，它们可以使用同一个智能手机充电器充电，用户不必担心单独充电。这些器件的电路设计包括LiPo电池电源组、电源组充电电路、电源分配开关、电源管理控制和DC-DC升压变换器(为手机提供所需电压(5V))。

图1描述了一个辅助智能手机电池电源管理电路的功能硬件设计。它由以下几个部分组成:

图1所示。功能图

电源管理控制（PMC）单元–这是设备的主要逻辑单元。它决定是将电源路由到智能手机还是附加电源组。它决定何时打开升压DC-DC转换器，以停止智能手机的内部电池供电。
配电开关(PDS):它由由PMC单元控制的mosfet组成。
脂肪的电池-本次设计的移动电源单元选用3.7V 1000mAh单芯电池。
脂肪充电器-一个可控的DC-DC降压转换器设计用作LiPo充电器。
提高直流-直流转换器- boost DC-DC转换器需要将LiPo电池3.7V电压提升到智能手机所需的5V。

电源管理控制(PMC)单元的设计与实现

电源管理控制(PMC)单元使用来自设备其余部分的输入来做出电源路由决策。PMC控制PDS和DC-DC升压变换器。

PMC的输入如下:

充电器目前指标（常州）．
设备功耗（CUR_SENSE）指标。该指标将使用当前的传感方法来实现。如果智能手机的电流低于确定的阈值，PMC也会将输入电源路由到LiPo充电器，从而为移动电源充电。如果电流高于确定的阈值，输入电源将只路由到智能手机。
电源电压指示器(VBAT). 使用此指示灯，PMC可以确定是否打开DC-DC升压转换器（以增加来自电源组的电压并将其提供给智能手机）。

PMC的输出如下:

脂肪充电器控制(LiPO_CHG)-这个输出将发送信号到PDS路由电源到LiPo充电器。
智能手机的功率控制(S_PWR)–此输出将向PDS发送信号，以将电源从输入路由到智能手机。
增压控制(BOOST_CTRL)-这个输出将打开升压转换器，并向PDS发送信号，将从升压到智能手机的电源路由。

PMC是一种三输入三输出的数字逻辑电路。这可以很容易地使用LUT表实现。使用GreenPAK IC实现PMC时使用了三个3位LUT表。

图2显示了PMC输入和输出的功能表。

图2。附近地区表

输入			输出
VBAT	CHG_IN	CUR_SENSE	LIPO_CHG	S_PWR	BOOST_CTRL
0	0	0	0	0	0
0	0	1	0	0	0
0	1	0	1	1	0
0	1	1	0	1	0
1	0	0	0	1	1
1	0	1	0	1	1
1	1	0	1	1	0
1	1	1	0	1	0

每个输出使用一个3位GreenPAK LUT单元实现。从引脚的输入被路由到每个LUT表。

图3解释了使用GreenPAK实现PMC。

图3。使用GreenPAK实现LUT表

配电开关的设计与实现

配电开关由PMC输出控制LIPO_CHG、S_PWR BOOST_CTRL。

图4描绘了PDS的框图。控制信号由PMC提供。PDS向PMC提供传感器信号:CHG_IN和CUR_SENSE．

图4.配电开关设计

在设计中有两个地方使用了电流传感，图5显示了用于这项任务的原理图。电流检测电路采用SLG88101运放，由于是双运放，只使用一块IC。

图5。电流传感电路

图6描述了PDS实现示意图。Dialog的绿色FET负载开关用于PDS实现。SLG59M1709非常适合负载切换，因为它的最大持续电流为4A，是市场上大多数智能手机所需充电电流的2-3倍。

图6。配电开关实现

LiPo充电器的设计与实现

LiPo充电器采用可控降压DC-DC变换器实现。恒流（CC）和恒压（CV）模式用于为LiPo电池充电。

当电池电压低于4.2V时，使用CC模式;当电池电压高于4.15V时，使用CV模式。图7显示了CC和CV两种模式下LiPo电池的充电曲线。为了实现这种充电方法，对充电电流和锂电池电压进行了监测。

图7。LiPo电池充电模式

USB充电器的输入通过提供4.2V输出的降压DC-DC转换器降压。为了实现恒流（CC）模式，蓄电池上的平均电压必须可变。使用电流电阻器和运算放大器跟踪电流。将运算放大器的输出与特定电压阈值进行比较。当通过蓄电池的电流超过规定电流时，PWM输出即被禁用。当其回到阈值以下时，PWM输出再次启用。

当电池电压达到4.15V时，LiPo充电器进入CV模式，并提供恒定的4.2V输出。

再次检测电流，并与不同阈值进行比较。当达到最大充电电流的10%时，发出信号终止充电，PWM输出。电流传感使用图5所示的方法和SLG88101 OP-AMP来实现。

图8描述了降压DC-DC转换器的模拟设计。

以下是buck变换器设计所用的参数:

V_(最大)=5.1V，最大输入电压
V_出来= 4.2 v,输出电压
我_出来=1.2A，最大输出电流
f_年代=62.5kHz，最小开关频率
ΔV_出来= 50 mv、输出电压纹波
n = 0.85,效率

以上是用于计算buck下一个参数的设置参数:

D_最大值＝，最大占空比
ΔI_l=（0.2至0.4）*I_出来= 0.24,纹波电流
L =(输出电压* (Vin (max)输出电压))/(ΔIL * fs * Vin (max)) = 49.41,最小电感
IF=Iout*(1d) =0.36A，二极管电流
Cout(min)=∆IL/(8*fs*∆Vout) = 10uF，最小电容
Isw(max) =∆IL/2+Iout = 1.32A，最大开关电流

图8.巴克设计

图9。Buck设计仿真使用LTSpice -输出电压

图10。Buck设计仿真使用LTSpice -输出电流

图9和图10显示了使用LTSpice模拟器进行buck设计的仿真结果。buck的PWM信号可以使用GreenPAK的PWM模块实现。采用PWM2和CNT8模块实现PWM信号。

图11显示了上述设计实现的结果——由GreenPAK产生的PWM信号和4.2V的输出电压(CH2)(验证了buck设计和仿真结果)。

图11。降压设计实现测量- PWM和输出电压

图12。用于buck–GreenPAK实现的PWM信号生成

图12描述了用于buck变换器PWM信号的实施参数。PWM2和CNT8模块用于生成PWM信号。PWM2模块的IN+选择器设置为寄存器3，IN-到计数器（CNT8）。开关频率由以下公式确定：

占空比由Regsiter3中的值决定。CNT8被设置为15,Register3被设置为10，以实现62.5kHz的开关频率和62.5%的占空比。

图13。GreenPAK实施(矩阵1)

图13描述了使用GreenPAK的LiPo充电器实现。以下是用于LiPo充电器实施的I/0引脚：

PIN12，超温保护输入脚
PIN13, CC/CV开关输入引脚
引脚14，用于过压和超温指示的输出引脚
PIN15，输入引脚za CV模式
PIN16，过压保护输入引脚
PIN17, Buck PWM输出脚
PIN19, CC/CV切换指示
PIN20，电池满
PIN8, ADC输入(电池电流传感槽)

以下是用于LiPo充电器实现的GreenPAK组件:

PGA
ADC
DCMP0/PWM0，用作数字比较器
DCMP1/PWM1，数字比较器
DCMP2/PWM2，用作降压型PWM信号发生器
CNT8/DLY8，用作计数器
OSC，用于时钟生成和升压PWM信号生成
ACMP1，模拟比较器H=50mV
ACMP2，模拟比较器H=50mV
模拟比较器H=0mV
3-L8,多路复用器
3-L9，多路复用器
3-L10，多路复用器
4-L1，与逻辑门
2-L7，或逻辑门
2-L4,逆变器
2-L5，逆变器
2-L6，逆变器
3-L12,逆变器

LiPo充电器的设计已经说明;下面的文本将重点放在使用GreenPAK的实现上。

CC/CV开关：

CC/CV开关负责LiPo充电器在两种充电模式之间的切换。如果电池上的电压低于4.15V，则充电器处于CC模式;如果等于或略高于4.15V，则充电器处于CV模式。

图14描述了使用模拟比较器ACMP2的CC/CV开关。ACMP2的输入为连接至图15所示外部分压器的引脚13。ACMP2的输出连接为3L10多路复用器的选择器位。当ACMP2为0时，3L10将输出左通道（CC模式）如果电池上的电压高于4.15V，它将输出1，这将使3L10输出右通道（CV模式）。

图14。CC/CV交换机的实现

图15.CC/CV开关的分压器和RC LPF

IN- on ACPM2设置为500mV，为了检测电池上的电压是否在4.15V以上，当输入(Vbat)为4.15V时，电压电阻必须设计为输出500mV。分压器所需的计算如下:

Vt = 500mV，输出
Vbat = 4150mV，电池电压
R1 = 15 kohm

一个简单的RC LP滤波器用于消除CC/CV开关输入上的任何噪声。设计的滤波器截止频率为3.38Hz。此外，由于蓄电池电压在充电过程中发生变化，ACMP2上使用5mV滞后。图16显示了ACMP2设置。

图16。ACMP2设置

CC模式

当蓄电池上的电压低于4.2V时，使用CC（恒流）模式。在此模式下，需要电路来保持通过蓄电池的恒流。

对于电流检测，使用图5中的电路。R_sense设置为2mOhm。电流感知运放的增益设置为200。若通过R_sense的电流为0.5A，则运放输入端的电压为Vin = I*R_sense=1mV。当放大200时，我们在GreenPAK的ADC模块的输入处有200mV。使用最大充电电流的50%给电池充电，本例为0.5A。

图17。ADC

电流传感电路的输出连接到连接到PGA的引脚8。PGA依次连接到ADC。ADC的输出连接到数字比较器DCMP0和DCMP1。使用DCMP0，LiPo充电器保持500mA的恒定充电电流。

图18描述了DCMP0设置。IN+选择器是ADC输出，IN-选择器是寄存器0。为了获得信息，如果电流高于500mA，则使用以下计算将寄存器0设置为50:

GreenPAK ADC为8位，分辨率为:

当通过R_sense的电流为0.5A时，如前所述，ADC输入端的电压为200mV，因此寄存器0 =

如果通过R_sense的电流高于0.5A, DCMP0输出将关闭PWM降压输出，以防止电流上升，并将其保持在一个常量。DCMP0输出连接到3L10多路输入。在CC模式下，如果DCMP0的输出为0(电流低于0.5A)，则3L9复用器的输出即为PWM2模块的输出。当DCM0输出为1(电流在0.5A以上)时，3L9输出为GND。

图18。DCMP0设置

CV模式：

当CC/CV逻辑指向CV模式时，3L10多路复用器的输出即为ACMP3的输出。ACMP3配有外置分压器，当电池上电压高于4.2V时，输出1。这也将输出3L9到GND，并关闭降压输出。在电池电压低于4.2V时，ACMP3将输出0，使3L9输出的是PWM2模块产生的PWM信号。这种方法是用来保持电池上的电压持续4.2V。