基于bqTINY-II的便攜式電子心音檢測儀電源管理模塊設計

便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展,各種電池的用量大增,并且開(kāi)發(fā)出許多新型電池。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的高能量密度的鋰離子電池具有體積小、容量大、待機時(shí)間長(cháng)等特性,非常適合便攜式系統的應用。

在便攜式電子產(chǎn)品的設計過(guò)程中,其電源管理模塊的設計是十分重要的,因為這關(guān)系到整個(gè)系統工作的穩定性、持續性及快速恢復的能力問(wèn)題。尤其是在使用鋰電池作為系統電源時(shí),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(diǎn),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(guò)程

鋰系列（鋰離子或鋰聚合物）電池的充電過(guò)程分為3個(gè)階段,如圖1所示。

圖1 三階段充電流程圖

第一階段為檢驗和預充電階段。該階段主要的任務(wù)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(gè)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(jìn)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(jìn)入第三階段充電。

第三階段是對電池進(jìn)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(gè)充電電流接近快速充電電流的10％,即C/10時(shí),充電過(guò)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(lái)一套集成解決方案。該芯片將自動(dòng)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(tài)顯示和充電中止等功能集為一體。它的一個(gè)重要特點(diǎn)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。bqTINY-II的功耗極低,當系統未連接至電源時(shí),bqTINY-II就會(huì )進(jìn)入低功耗休眠模式,它此時(shí)只會(huì )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 bq24020的電源管理示意圖

圖2所示電源管理模塊有4個(gè)輸入接口,4個(gè)輸出接口和一個(gè)公共地。其中4個(gè)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(diǎn)設置;4個(gè)輸出接口為：電源輸出、電源溫度信號輸出、2個(gè)充電狀態(tài)指示輸出。

面向應用系統的6個(gè)接口的參數說(shuō)明如下：

VCC為電池電壓輸出口,本電源模塊通過(guò)該口輸出電流,向應用系統供電。

TS為電源溫度狀態(tài)信號輸出,該信號由電池艙內的10kΩ的負溫度系數電熱調節器所產(chǎn)生。應用系統可以通過(guò)將該接口的電壓與電源地相比較來(lái)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(shí)充電電路工作,高電平時(shí)芯片停止工作并進(jìn)入低功耗休眠模式。

ISET2接口用于控制USB充電時(shí)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(jìn)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(jìn)行充電或者送高電平選擇500mA。如果系統不想使用USB模式進(jìn)行充電,可以將該接口置為高阻態(tài)。

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2.2 功能描述

1）三階段充電自動(dòng)控制功能

檢測電池的電壓,如果低于預定閾值電壓,就要先進(jìn)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(shí),充電方式改為全電流充電,即進(jìn)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(shí),開(kāi)始改為恒壓充電,此時(shí)充電電流逐漸降低,進(jìn)入恒壓充電階段;

當電流逐漸減小到預設值時(shí),充電過(guò)程結束。

2）供電電源自動(dòng)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(méi)有AC適配器,芯片就會(huì )選擇USB作為輸入電源。如果兩種輸入都存在,則優(yōu)先選擇AC適配器。

3）電池過(guò)熱保護功能

bqTINY-II通過(guò)測量腳TS和VSS之間的電壓來(lái)監測電池的溫度。bqTINY-II內部含有一個(gè)電流源,利用這個(gè)電流源為10kΩ的負溫度系數電熱調節器提供偏置。bqTINY-II通過(guò)比較腳TS和內部的閾值電壓VLTF、VHTF來(lái)決定是否進(jìn)行充電。當VTSVHTF或VTS>VLTF時(shí),就會(huì )停止充電。bqTINY-II只是通過(guò)關(guān)閉電源的FET來(lái)暫時(shí)停止充電時(shí),并沒(méi)有重新設置定時(shí)器。當溫度恢復到正常值時(shí),充電就會(huì )繼續。用戶(hù)可以通過(guò)兩個(gè)額外的電阻來(lái)改變溫度范圍,如圖3所示。

圖3溫度傳感器范圍調節

4）電池預充機制

在一個(gè)充電周期中,如果電池電壓低于VLOWV,bqTINY-II就會(huì )利用預充電流Io(PRECHG)來(lái)對電池充電,這樣就可把電池中過(guò)度放電的離子激活。在ISET1、VSS之間的電阻RSET決定了預充率。這種特性對于A(yíng)C和USB充電都適用。

bqTINY-II會(huì )在預充電期間設置一個(gè)定時(shí)器。如果在這個(gè)定時(shí)器設置的時(shí)間內電池電壓沒(méi)有達到V（LOWV）,bqTINY-II將會(huì )停止充電,并且在腳STATx上顯示出錯信息。

5）充電電壓自動(dòng)控制功能

bqTINY-II的腳OUT直接和電池的正極相連,芯片通過(guò)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(shí),恒壓充電開(kāi)始,充電電流開(kāi)始減小。

為了安全起見(jiàn),在充電期間bqTINY-II也監視充電時(shí)間。如果在規定的充電時(shí)間t(CHG)期間未完成充電,bqTINY-II將會(huì )停止充電,并且在STATx引腳顯示出錯信息。

6）充電狀態(tài)監測（自動(dòng)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(dòng)TAPER定時(shí)器（見(jiàn)圖1）。當規定的時(shí)間到達后,充電過(guò)程結束。連接在ISET1和VSS之間的電阻RSET決定了TAPER的長(cháng)短。

如果充電電流恢復到I（TAPER）,bqTINY就會(huì )重置Taper定時(shí)器。另外,如果充電電流小于I（TEMP）,則會(huì )終止充電。這樣就可以快速識別出電池的移出和已經(jīng)充好的電池的插入。注意,這種特性就會(huì )使充電計時(shí)器和Taper定時(shí)器失去效用。連接在腳ISET1和VSS之間的電阻RSET決定了TAPER電流的檢測門(mén)限。

充電完成后,bqTINY-II一旦檢測到腳OUT的電壓低于VRCH,就會(huì )重新啟動(dòng)充電。這樣就會(huì )讓電池一直處于滿(mǎn)充的狀態(tài)。

7）自動(dòng)休眠功能

當系統沒(méi)有連接AC和USB電源時(shí),bqTINY-II就會(huì )使模塊進(jìn)入低功耗休眠模式。這種特性可以防止沒(méi)有外部輸入時(shí)電池漏電。

8）充電狀態(tài)信號

表1列出了STAT1和STAT2的輸出所表示的充電狀態(tài)。這些狀態(tài)引腳輸出的信號可以用于驅動(dòng)多個(gè)LED或送至主處理器作進(jìn)一步處理。

表1 充電狀態(tài)輸出信號表

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(shí),芯片開(kāi)始工作。

圖4 模塊工作流程圖

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(shuō)明電池處于滿(mǎn)充狀態(tài),此時(shí)電池不需充電,芯片轉入休眠狀態(tài),否則進(jìn)入充電程序。

進(jìn)入充電程序后模塊首先檢測電池電壓VOUT是否高于進(jìn)行電池快充所需電壓VLOWV,如果滿(mǎn)足條件則進(jìn)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(jìn)行預充,即涓流充電,直到電池電壓上升到VLOWV以上才進(jìn)入快充程序。模塊進(jìn)入預充或快充程序時(shí)都會(huì )設置相應的計時(shí)器,以保護電池不被過(guò)充,提高電池使用壽命。

電池如果預充超時(shí),則模塊進(jìn)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VRCH。條件滿(mǎn)足則充電程序重新開(kāi)始,否則激活計時(shí)器錯誤恢復電流等待條件滿(mǎn)足。

如果在恒流或恒壓充電階段計時(shí)器超時(shí),則模塊進(jìn)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(shí)器超時(shí),則充電程序結束。

3 應用實(shí)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(yōu)點(diǎn),為醫務(wù)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(guò)STAT1和STAT2端口向系統主控芯片輸出電源狀態(tài),系統主控芯片通過(guò)輸出CE信號控制bq24020進(jìn)行工作,通過(guò)設置ISET2狀態(tài)對USB充電模式進(jìn)行選擇。系統還可以檢測TS接口信號來(lái)獲得電池溫度狀況。

4 結語(yǔ)

bqTINY-II的各項新特性使便攜產(chǎn)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(wú)論從成本、性能還是系統可靠性方面來(lái)衡量,用bqTINY-II來(lái)設計的電源管理模塊都能滿(mǎn)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(jià)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(wèn)題,是一種理想的便攜式設備電源管理模塊。