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關鍵詞：鋰電池；USB電源；恒流充電；恒壓充電
O 引言
??? 便攜式電子產品以電池作為電源。隨著便攜式產品的迅猛發展，各種電池的用量大增，并且開發出許多新型電池。近年來開發的高能量密度的鋰離子電池具有體積小、容量大、待機時間長等特性，非常適合便攜式系統的應用。
??? 在便攜式電子產品的設計過程中，其電源管理模塊的設計是十分重要的，因為這關系到整個系統工作的穩定性、持續性及快速恢復的能力問題。尤其是在使用鋰電池作為系統電源時，其電源管理模塊的作用更加突現。本文針對鋰電池充電的特點，介紹了一種基于bqTINY—II的便攜式電子心音檢測儀電源管理模塊解決方案。
1?鋰離子電池充電過程
??? 鋰系列(鋰離子或鋰聚合物)電池的充電過程分為3個階段，如圖1所示。
??? 第一階段為檢驗和預充電階段。該階段主要的任務是：驗證電池的溫度并將其調整到適合快速充電的范圍內；檢測電池電壓并將其提高到一個安全水平。溫度檢驗和預充電提高了電池的安全性和使用壽命。
??? 第二階段將以“1C”或略低的電流進行恒流充電。一旦電池達到它的電壓限幅4．1V或4．2V．則已完成對大約70％的容量的充電，并進入第三階段充電。
??? 第三階段是對電池進行恒壓充電，為了使安全性和電量達到最大化，需要將充電電壓穩定在±1％的精度內。在恒壓充電階段，充電電流逐漸變小，并且在大多數情況下，當這個充電電流接近快速充電電流的10％，即C／10時，充電過程就結束了。
2 基于bqTINY—II的電源管理模塊
??? bqTINY-II是TI推出的電池充電管理芯片，它為電源系統設計人員帶來一套集成解決方案。該芯片將自動電源選擇、功率FET和電流傳感器、高精準度的穩流和穩壓能力、充電狀態顯示和充電中止等功能集為一體。它的一個重要特點是其可以選擇兩種充電模式，支持目前流行的USB接口充電。
??? bqTINY-II支持三階段的充電程序如圖1所示，包括預充電調節階段、恒流充電階段以及許多設備制造商都要求的高精準度恒壓充電階段。hqTINY-1I的功耗極低，當系統未連接至電源時， bⅡ_rlNY．II就會進入低功耗休眠模式．它此時只會從電池汲取非常少的電量。
2.1 示意電路圖
??? 該方案的示意電路如圖2所示，該原理圖以bq24020芯片為核心，配以必要的外圍元器件。由于bq24020芯片的高集成化，使得所需的外圍元器件大大減小，只需要3顆濾波電容和1顆用于設置AC預充率的電阻即可。
??? 圖2所示電源管理模塊有4個輸入接口，4個輸出接口和一個公共地。其中4個輸入接口為：交流適配器AC接口、USB取電接口、充電使能信號CE、USB充電點設置；4個輸出接口為：電源輸出、電源溫度信號輸出、2個充電狀態指示輸出。
??? 面向應用系統的6個接口的參數說明如下：
??? VCC為電池電壓輸出口，本電源模塊通過該口輸出電流，向應用系統供電。
??? TS為電源溫度狀態信號輸出，該信號由電池艙內的10 kΩ的負溫度系數電熱調節器所產生。應用系統可以通過將該接口的電壓與電源地相比較來判斷電源目前溫度狀況。
??? CE為bqTINY—II芯片的使能控制信號，該信號為低電平時充電電路工作，高電平時芯片停止工作并進入低功耗休眠模式。
??? ISET2接口用于控制USB充電時的參數選擇。由于USB接口分為大功率(500mA)和小功率(100mA)兩種，因此系統必須對其進行識別。識別完成后系統可以送低電平信號到該接口，使得芯片選擇100mA模式進行充電或者送高電平選擇500mA。如果系統不想使用USB模式進行充電．可以將該接口置為高阻態。
??? STATl和STAT2為充電狀態顯示信號輸出，該信號可以直接驅動多個LED進行狀態指示或送至主處理器供其作進一步處理。
2.2 功能描述
??? 1)三階段充電自動控制功能
??? 測申池的電壓，如果低于預定閾值電壓，就要先進行涓流充電，即電池預充階段；
??? 電池電壓上升到預設值(一般設為2.9V)時，充電方式改為全電流充電，即進入恒流充電階段；
??? 當電池電壓達到最大電壓(鋰離子電池一般為4．2V)時，開始改為恒壓充電，此時充電電流逐漸降低，進入恒壓充電階段；
??? 當電流逐漸減小到預設值時，充電過程結束。
??? 2)供電電源自動選擇
??? bqTINY—II支持兩種電源輸入，默認的是把AC適配器作為輸入源。如果沒有AC適配器，芯片就會選擇USB作為輸入電源。如果兩種輸入都存在，則優先選擇AC適配器。
??? 3)電池過熱保護功能
??? bqTINY—II通過測量腳TS和VSS之間的電壓來監測電池的溫度。bqTINY—II內部含有一個電流源，利用這個電流源為lO kΩ的負溫度系數電熱調節器提供偏置。bqTlNY—II通過比較腳TS和內部的閾值電壓VLTF、VHTF來決定是否進行充電。當VTS
??? 4)電池預充機制
??? 在一個充電周期中，如果電池電壓低于VLOWV，bqTINY—II就會利用預充電流Io(PRECHG)來對電池充電，這樣就可把電池中過度放電的離子激活。在1SETl、VSS之間的電阻RSET決定了預充率。這種特性對于AC和USB充電都適用。
??? hqTINY—II會在預充電期間設置一個定時器。如果在這個定時器設置的時間內電池電壓沒有達到V(LOWV),bqTINY-II將會停止充電，并且在腳STATx上顯示出錯信息。
??? 5)充電電壓自動控制功能
??? bqTINY—II的腳0UT直接和電池的正極相連．芯片通過此引腳采集電池的反饋電壓，然后比較采集回的反饋電壓和VSS引腳之間的電壓差值，從而完成對電池電壓的監測。當電池的電壓上升到Vo(REG)時，恒壓充電開始，充電電流開始減小。
??? 為了安全起見，在充電期間bqTINY—II也監視充電時間。如果在規定的充電時間t(CHG)期間未完成充電，bqTINY—II將會停止充電，并且在STATx引腳顯示出錯信息。
??? 6)充電狀態監測(自動終止和重新充電功能)
??? 在恒壓充電階段bqTINY—II一直監視充電電流。一旦預設的，I(TAPER)被檢測到．bqTINY—II就啟動TAPER定時器(見圖1)。當規定的時間到達后，充電過程結束。連接在ISETl和VSS之間的電阻RSET決定了 TAPER的長短。
??? 如果充電電流恢復到I(TAPER),bqTINY就會重置TaDer定時器。另外，如果充電電流小于I(TEMP)，則會終止充電。這樣就可以快速識別出電池的移出和已經充好的電池的插入。注意，這種特性就會使充電計時器和Taper定時器失去效用。連接在腳ISETl和VSS之間的電阻RSET決定了 TAPER電流的檢測門限。
??? 充電完成后，bqTlNY-II一旦檢測到腳OUT的電壓低于VRCH，就會重新啟動充電。這樣就會讓電池一直處于滿充的狀態。
??? 7)自動休眠功能
??? 當系統沒有連接AC和USB電源時，bqTINY-II就會使模塊進入低功耗休眠模式。這種特性可以防止沒有外部輸入時電池漏電．
??? 8)充電狀態信號輸出
??? 表1列出了STATl和STAT2的輸出所表示的充電狀態。這些狀態引腳輸出的信號可以用于驅動多個LED或送至主處理器作進一步處理。
2. 3 工作流程圖
??? 電源管理模塊的工作流程如圖4所示。當有外部電源(AC或USB)輸入，且模塊使能信號CE為低電平時，芯片開始工作。
??? 芯片首先比較輸入電壓VIN與電池電壓VOUT的高低。如果VOUT高于VIN則說明電池處于滿充狀態，此時電池不需充電，芯片轉入休眠狀態，否則進入充電程序。
??? 進入充電程序后模塊首先檢測電池電壓VOUT是否高于進行電池快充所需電壓VLOWN，如果滿足條件則進入電池快充程序，即高精確準度恒壓充電。否則模塊對電池進行預充，即涓流充電，直到電池電壓上升到VLOWV以上才進入快充程序。模塊進入預充或快充程序時都會設置相應的計時器，以保護電池不被過充，提高電池使用壽命。
??? 電池如果預充超時，則模塊進入充電錯誤處理程序，并在腳STATx輸出出錯信息。模塊首先檢測電池是否可用，即檢測電池電壓VOUT是否大于預先設定的電池再充電壓VROHo條件滿足則充電程序重新開始，否則激活計時器錯誤恢復電流等待條件滿足。
??? 如果在恒流或恒壓充電階段計時器超時，則模塊進入充電錯誤處理程序。如果在恒壓充電后期電流逐漸減小到規定值階段計時器超時，則充電程序結束。
3 應用實例
??? 便攜式電子心音診斷儀是一種手持式心音輔助診斷設備，具有體積小、重量輕、使用方便、檢測迅速、結果準確等優點，為醫務工作者工作效率的提高起到了重要作用。本文介紹的電源管理模塊在該設備的設計方案中得到了應用。該設備使用一塊鋰電池供電，采用bq24020作為電源管理核心控制芯片，通過STATl和STAT2端口向系統主控芯片輸出電源狀態，系統主控芯片通過輸出CE信號控制bq24020進行工作，通過設置ISET2狀態對USB充電模式進行選擇。系統還可以檢測Ts接口信號來獲得電池溫度狀況。
4 結語
??? baTINY—II的各項新特性使便攜產品的充電控制和供電管理設計更加容易，對電池的保護也更加完善，無論從成本、性能還是系統可靠性方面來衡量，用bqTINY—II來設計的電源管理模塊都能滿足需求。本文所介紹的電源管理模塊采用bqTINY—II系列芯片為核心，這是一種低成本鋰離子充電方案，可以使用廉價的可插到墻上的穩壓器或者使用當前流行的USB接口供電。由于它的高集成度和電路板占用空間小，幾乎完全消除了高端設備的功率耗散問題，是一種理想的便攜式設備電源管理模塊。
工商網監
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