基于ASC8511 的電源管理系統

孟上海，董林璽

(杭州電子科技大學微電子CAD 所，杭州310018)

隨著科學技術的發展，便攜式設備在不斷推陳出新，鋰電池因其體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點，近年來已經成為便攜式設備的首選電源［1］。鋰電池的特性以及應用環境的需求，對便攜式設備電源管理［2］方案的設計提出了更高的要求，特別是鋰電池充電電路。鋰電池充電技術已非常成熟，以手機電池充電器為代表的普通的鋰電池充電電路，在日常中得到了廣泛的應用，但不具備智能充電管理功能。本文設計了一種以ASC8511 鋰電池充電電路為核心的便攜式設備電源管理系統，可實現鋰電池充電的智能管理。系統輸出電壓可配置等，可為電源電壓為5V、6V、12V 等不同要求的便攜式設備供電。

1 ASC8511 性能測試

ASC8511 是開關式、同步整流單節鋰電池充電管理芯片，采用峰值電流模式控制的BUCK 拓撲結構，最大充電電流可達2.5A。ASC8511 通過恒壓控制環和恒流控制環來調整鋰電池充電電壓和恒流充電電流。ASC8511 集成電池過溫保護、充電時間限制、輸出短路等保護功能，通過NTC 檢測電池溫度，可以實現電池過熱保護功能，2 個LED 指示燈指示電池充電狀態。ASC8511 采用16 腳T-SSOP 封裝。ASC8511 應用電路如圖1 所示。

圖1 ASC8511 應用電路

1.1 可編程充電電流測試

通過設置RSNS和RISET的值可以設定電池恒流充電電流，RISET為連接ISET管腳的外接電容，首先選擇檢流電阻RSNS。為了兼顧電流檢測精度和充電效率，RSNS上的壓降VSNS最好設定在100 mV ～200 mV 之間。

式中，ICC為恒流充電電流。

如果RSNS計算值不是標準電阻值，則取最接近的電阻值。得到RSNS的值后，可通過下式計算RISET:

VISET是ISET管腳的電壓，內部設定為1. 5 V。KISET是電流檢測系數，典型值為2 000/RSNS。例如，如果設置恒流充電電流2 A，選擇VSNS=200 mV，通過式(1)可得到RSNS=0.1 Ω。然后通過式(2)可得到RISET=15 kΩ。充電截止電流ITERM/恒流充電電流ICC=1/8，KTERM=1/8，即充電截止電流為恒流充電電流的1/8。

測試條件:取3 片芯片，分別設置恒流充電電流ICC為600 mA、1 A、1.5 A，取RSNS=0.1 Ω，由計算式(2)得，RISET分別為50 kΩ、30 kΩ、20 kΩ，充電截止電流ITERM分別為75 mA、125 mA、187.5 mA。分別在芯片工作在預充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段直至充電截止，測量RISET的電壓VISET、恒流充電電流ICC、充電截止電流ITERM。

如表1 所示，測得的恒流充電電流和充電截止電流與理論值接近，算得KTERM范圍為1/8.41 ～1/7.52，與理論值接近。

表1 恒流充電電流和充電截止電流測試結果

1.2 充電過程測試

完整的充電過程可分為3 個階段:預充電、恒流充電(CC)［3］、恒電壓充電［4］(CV)。當電池電壓低于VLOWV，對電池進行涓流充電［5］，即預充電，充電電流為恒流充電的1/5。當電池電壓高于VLOWV，將進入恒流充電階段。在恒流充電階段，充電電流恒定［6］，電池電壓會快速上升。當充電電流開始下降，充電進入恒壓充電階段。當充電電流下降到恒流充電電流的1/8，ASC8511 給出“充電結束”(EOC)信號。

測試條件:輸入電壓5.0 V，外接電池電壓2.75 V，RISET=30 K，即設定恒流充電電流為1 A，預充電電流為200 mA，充電截止電流為125 mA。

充電過程如圖2 所示:

0 ～T1:預充電階段，充電狀態指示燈紅燈點亮。充電電流為恒流充電電流的1/5，即200 mA。

T1～T2:恒流充電(CC)階段，ASC8511 以恒定的恒流充電電流給電池充電，電池電壓不斷升高。電池恒流充電電流為0.98 A，接近理論值。

T2～T3:恒壓充電(CV)階段，電池電壓4.17 V恒定不變，充電電流不斷降低。

T3時刻:充電電流下降到設定的充電截止電流125 mA，充電過程結束，紅燈熄滅，充滿狀態指示燈綠燈點亮。

ASC8511 的預充電功能、恒流充電功能、恒壓充電功能性能優越，滿足系統設計要求。

圖2 ASC8511 充電過程曲線圖

2 系統硬件設計

2.1 供電方式

便攜式設備可能工作在有市電電源或無市電電源的環境下，為保證在不同的工作環境下都可為鋰電池充電，該系統中設計了3 種供電方式為鋰電池充電電路供電，以保證鋰電池電壓能夠驅動升壓電路輸出穩定5 V 電壓，使便攜式設備正常工作。

3 種供電方式分別為:5 V 電源適配器供電、USB 接口供電、太陽能電池板供電，可根據具體工作環境選擇供電方式。其中，5 V 電源適配器供電方式，在市電環境下即可工作，簡單方便;USB 接口供電方式，電腦、移動電源等帶有USB 接口的設備都作為供電電源;太陽能電池板供電方式，在工作現場沒有市電電源及帶有USB 接口設備的情況下，在一些極端環境下可為設備供電。其中，5 V 電源適配器和USB 接口都提供5 V 電壓，可統一為一個選擇接口;太陽能電池板電壓為6 V，作為另一選擇接口。可撥動選擇開關，選擇供電方式，5 V 電源適配器或USB 接口供電，選擇5 V/USB 檔;太陽能電池板供電，選擇SOLAR 檔。

2.2 可編程充電電流電路

該系統采用的太陽能電池板型號為RPS-2.5-12M，指標為:標準功率2.5 W，峰值電壓6 V，峰值電流0.43 A，尺寸200 mm×200 mm×3.2 mm。單片電池板功率過小，且峰值電流過小，即充電電流過小，則鋰電池充電時間會很長。為驅動充電管理芯片工作以及縮短充電時間，將兩片電池板并聯［7］為充電電路供電，可解決功率及峰值電流過小的問題，最大電流為0.86 A，即采用太陽能電池板給鋰電池充電時，充電電流要小于0.86 A。

為解決不同供電方式情況下，充電電流不同的要求，應用ASC8511 的可編程充電電流功能，設計了簡單實用的可編程充電電流電路，如圖3 和圖4所示。圖3 中可編程充電電流電路1，默認充電電流為0.75 A，可撥動充電電流選擇開關改變ISET引腳的電阻阻值，選取特定的充電電流檔位，可選充電電流1 A、1.5 A、2 A 和2.4 A;該電路可選充電電流檔位多，可方便快捷的實現充電電流的切換調節，但需撥動開關選取電流檔位，不具備充電電流的智能切換調節。圖4 中可編程充電電流電路2，可實現充電電流的智能切換調節，方便、快捷、無需手動調節。電路2 包含2 個可選電流檔位，可根據需要增加一組或多組該電路，只需選擇合適的電阻、設置不同的控制信號即可增加可選充電電流檔位。

圖3 可編程充電電流電路1

圖4 可編程充電電流電路2

該系統采用如圖4 所示的可編程充電電流電路2，可方便地實現不同供電方式下，充電電流的切換調節，滿足充電要求［8］，同時兼顧太陽能電池板供電時充電電流不能過大的設計要求。使用5 V 電源適配器或USB 接口供電時，DC5V/VUSB 為高，三極管T1和T2導通，ASC8511 的ISET 腳電阻RISET=20 kΩ，由式(2)可得ICC=1.5 A;使用太陽能電池板供電時，DC5V/VUSB 為低，三極管截止，RISET=40 kΩ，ICC=0.75 A，即可滿足充電電流小于0.86 A 的要求。

2.3 升壓電路

在工作時，隨著放電，鋰電池的輸出電壓會從最高的4.2 V 慢慢下降到3.0 V。對于這樣寬的輸入電壓變化，通常都會有升壓電路輸出固定電壓為便攜式設備供電。便攜式設備常用的電源電壓為5 V、12 V等，本系統實現了固定輸出5 V 的升壓電路，為便攜式設備提供電源電壓。

MC34063［9］是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關，能輸出1.5 A 的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

MC34063 的DC-DC 升壓式轉換應用如圖5 所示，其輸出電壓值可通過改變R3、R4電阻值來進行調整，其輸出電壓符合以下公式:

分別取R3、R4為30 kΩ、10 kΩ，由式(3)得，輸出電壓VOUT=5 V。改變R3、R4的值，VOUT相應改變，可輸出固定6 V、12 V 等電壓，該電路可方便的應用到5 V、6 V、12 V 等不同電源電壓的便攜式設備。

電路中限流電阻取值為0.1 Ω，因此輸入電流被限流在0.3 V/0.1 Ω=3 A，改變限流電阻即可改變限流值。

圖5 MC34063 應用電路

2.4 電池電壓過低提示電路

本系統設計了一種簡單實用的方法，通過電壓檢測芯片XC6101A035 測試鋰電池電壓［10］，來提示電池電壓是否過低，警告用戶及時充電［11］，以免電池電壓過低而影響便攜式設備的正常工作。XC61 系列芯片是一系列高精度、低功耗的電壓檢測芯片，可根據檢測電壓VDF選取不同型號的芯片。本系統使用的鋰電池，有效電壓最低為3.0 V，為保證便攜式設備可正常工作，設定過低電壓提示值為3.2 V，故選擇檢測電壓VDF為3.2 V 的XC6101A032。電源電壓與限流電阻、LED 發光管、XC6101A032 輸出電壓形成指示回路。當電池電壓高于3.5 V 時，XC6101A032 輸出電壓為電池電壓，LED 熄滅;當電池電壓低于3. 2 V 時，XC6101A032 輸出電壓為0，LED 點亮，發出電池電壓過低提示，告知操作人員及時充電。

3 結束語

鋰電池供電的便攜式設備中，電源管理系統是整個設備能夠正常工作的基礎，鋰電池充電電路又是電源管理系統的關鍵，因而鋰電池充電管理芯片的選擇至關重要。應用ASC8511 芯片僅須少量的外圍元件，就可實現低成本的單節鋰電池充電方案。ASC8511最高可達2.5 A 的充電電流，可大大縮短充電時間，實現鋰電池的快速充電。同時，具有較寬的工作溫度范圍以及NTC 溫度檢測功能，可保證該鋰電池充電電路可在不同的環境下工作。以ASC8511 為基礎的鋰電池充電電路，可選擇3 種供電方式，靈活方便;同時，在3 種供電方式下，可智能地實現充電電流的切換調節，滿足太陽能電池板供電時充電電流不能過大的要求。配合MC34063 升壓電路的應用，在鋰電池有效工作電壓條件下，可穩定輸出5V 電壓，為便攜式設備供電;可改變升壓電路反饋電阻的阻值調節輸出電壓。該電源管理系統可實現鋰電池的智能快速充電，輸出5 V 電壓可為多種便攜式設備供電，電池電量過低警報提醒用戶及時充電。

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