單電感移動電源的設計

　　市面上移動電源中常使用2個電感，其中充電電路中，充電過程需要一個電感，Boost電路放電過程中也需要一個電感。充電電路的工作過程是通過5V的交流適配器給移動電源內部的鋰電池充電；而Boost電路工作過程是將移動電源內部鋰電池升壓到5V進行輸出，從而給移動設備供電。但在移動電源實際工作中這兩種電路通常情況不需要同時工作，也就是工作中兩個電感只有一個電感處于工作狀態(tài)，兩個環(huán)路只需要一個工作。

　　1.芯片工作原理

　　本文提出了一種單電感移動電源的方案，這樣不僅利于移動電源節(jié)省器件成本，還可節(jié)省設備體積，便于移動電源更小型化。使設備穩(wěn)定性更高，單電感移動電源電路如圖1所示：

　　MT2011是來頡科技設計的一款高效率大電流單串聯鋰電池充電控制器。它支持4.5V~6.5V輸入電壓，輸出電壓可以跟隨鋰電池電壓，最大2A的充電電流，使用了高效率的同步整流結構，適合應用于便攜式充電設備和移動電源充電。整合電流采樣電阻、高精度的電流與電壓管理電路、滿電自動停止充電。MT2011工作頻率為1.5MHz，使用同步整流結構，效率高達93%。帶有充電電流軟啟動、防反相電流二極管、充電電流采樣等功能，并帶有完善的輸出短路保護和過溫保護功能。

　　MT5036是來頡科技設計的一款95%高效的800KHz同步升壓轉換器，它為單節(jié)鋰電池或多節(jié)鋰電池組并聯提供了良好的供電解決方案。 轉換器通過設置芯片外部FB分壓電阻或使用內部FB分壓電阻來獲得一個穩(wěn)定輸出電壓。芯片轉換效率非常高，能提供足夠的負載電流，當供電電壓下降到3V 時，仍能在輸出電壓為5V時，輸出3A的負載電流， 電感中的峰值電流被限制在6.6A。 MT5036工作頻率可達800KHz，這使得電感和輸出電容都可以不用太大，并且?guī)в休p載PSM功能，可以保證芯片在全負載范圍內保持較高的轉換效率。 擁有60uA的靜態(tài)電流，可以大大提高鋰電池的壽命，帶有低EMI工作模式，斷續(xù)工作時，可以有效減少振鈴，轉換器可以避免電池過放電，在關斷時負載可以完全與電池斷開。

　　SN8P2711是一顆采用高速低功耗CMOS工藝設計開發(fā)的8位高性能精簡指令單片機， 內部有1K×16位一次性編程ROM（OTP-ROM），64K×8位的數據寄存器（RAM），三個雙向I/O口，兩個8位定時器/計數器，兩個PWM /Buzzer模塊，多個系統(tǒng)時鐘，四種系統(tǒng)工作模式，一個五信道的十二位模數轉換器以及五個中斷源。這款單片機可以廣泛應用于測量、電機控制、工業(yè)控制、家電玩具類產品等。

　　2.電路工作原理分析

　　電路的工作具體原理如下：

　　電路工作分為兩個過程，一是外加5V電源對移動電源內置鋰電池充電，二是移動電源對外接移動設備充電。

　　工作在第一種過程時，交流適配器或5V電源接在移動電源的Micro USB接口上，VIN為5V電壓時，R1與R2分壓產生USB信號送入單片機，單片機檢測到USB信號后，會將輸出EN信號拉低，禁止MT5036工作。 MT2011上電后會檢測VCC的電壓，如果VCC電壓在可充電范圍內，充電芯片開始工作，對鋰電池按照浮充、快速充電、恒壓充電的過程開始充電，電感電流由SW到VCC充電。TS信號在默認狀態(tài)下是高，如果外部電路讓TS強行拉低讓MT2011停止工作， D2是鉗位二極管，可以限制SW電壓最低在-0.6V。圖2為充電和放電過程信號和輸入輸出的時序圖。

　　工作在第二個過程時，沒有交流適配器連接在USB2.0口連接被充電設備。即MT5036的VOUT只與被充電設備相連。電路會檢測到便攜設備是否連接在USB2.0端口，若插入設備或按啟動按鈕就會啟動MT5036，對設備進行充電。電路中VCC通過R24（100K）與VOUT相連。

　　在移動電源輸出端口不連接設備時，VOUT電壓等于VCC電壓，此時MT5036的EN信號為低，芯片不工作。當設備插入時，VOUT被設備瞬間拉低，單片機檢測到VOUT變低的瞬間降低，可以判斷設備已接入，將EN信號拉高，使能MT5036工作，對設備充電。當EN變高，STAT信號就被強制拉低，這時可以禁止MT2011工作，保證充放電芯片最多一個工作。

　　MT5036工作時，電感電流由VCC到SW。R9為下拉電阻，保證由于某種原因EN懸空時，EN引腳可以接地，MT5036不會誤工作。R7與R8為FB的分壓電阻，通過這兩個電阻來設置MT5036的VOUT電壓。C9、C10、C11為輸出儲能電容，BOOST電路電感往輸出端電流不連續(xù)，輸出電容容量應盡量選大一些，在MT5036芯片中選用2個22uF貼片電容并聯。R14，R15為輸出電流采樣電阻，可以采樣MT5036的負載，用來判斷過載或者空載情況情況。

　　當AMP信號電壓超過過載閾值時，單片機判斷為過載，此時將EN拉低，關段MT5036。當AMP信號電壓低于0.1A負載閾值時，單片機判斷為空載，為防止效率耗散，40s后也將EN拉低，關段MT5036。

　　輸出電壓與分壓電阻關系為：

　　當移動電源工作于充電過程中，SW是VIN和GND的方波信號，VBAT引腳是MT5036的內部供電引腳，此時VBAT引腳如果為電池電壓，此時會出現內部漏電情況，可能會造成MT5036的損壞。由圖1（a）可看出，電源適配器5V輸入端（VIN）和鋰電池輸出端（VCC）均通過二極管連接到 MT5036的VBAT引腳。這樣做可以防止芯片內部漏電的情況。加入這兩個二極管后，MT5036的供電引腳會選取電壓大的一側作為供電電源，可以保證內部MOS管有效關段。二極管類型最好選取肖特基二極管。

　　單片機在移動電源中起調節(jié)工作模式和保護的功能。單片機7號腳的SW1是移動電源輸出的開關。開關按下時，會拉高EN信號，使MT5036工作。4個LED燈用來顯示行動電源當前電量和充放電狀態(tài)。SW1開關還可以通過長按讓移動電源手電筒功能打開。

　　3.實驗結果與分析

　　本文提出了一款單電感高效率移動電源設計方案已經普遍應用于市面上的移動電源中。使用1盎司銅厚雙層板PCB指標已能達到使用要求。

　　隨電池電壓可變的占空比可以保持系統(tǒng)在輸入輸出范圍內工作都是穩(wěn)定的，如圖3所示。SW占空比可以保持D=VOUT/VIN。整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的

　　由圖4可知，2A的負載跳變會引起低于100mV的輸出變化，為2%變化率，在移動電源芯片中表現是很好的。

　　在充電過程中，最高效率可以達到92%；在放電過程中，最高效率可以達到96%。所以用MT2011和MT5036兩款電源芯片可以使整體設備保持很高的效率。在芯片處于待命狀態(tài)工作時，靜態(tài)電流可以低達40uA，也就是說處于待命狀態(tài)180000小時，才會消耗行動電源25%的電量，所以，系統(tǒng)可以保持很長的壽命。

　　4.結論

　　在這篇文章中，通過對來頡科技兩款電源芯片的介紹和對整體電路工作狀態(tài)的介紹，描述了一種低靜態(tài)電流的充電升壓單電感應用的移動電源設計方案。

　　系統(tǒng)可以在單電感（低成本）情況下，保持移動電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作。并且可以保持高達96%的放電效率。40uA級別的低靜態(tài)電流使得行動電源擁有超長的壽命。此文介紹的單電感移動電源還帶有插入用電器自啟動功能，并且2A負載跳變（ipad插入或拔出）能夠保持在2%輸出精度。