基于CSU8RF3421的移动电源应用
本文介绍了芯海科技有限公司MCU芯片CSU8RF3421应用于移动电源产品的单芯片解决方案。通过使用芯片自带的两路高速PWM(16M)和四路高性能ADC(12bit，死区小于3mV)以及特有的基准源数字校正专利技术，CSU8RF342无需外围其他IC，即可实现效率高达93%的同步整流移动电源，在2.1A输出条件下，效率仍然高于88%。
一、系统设计
移动电源由充电管理、供电管理、输入检测、显示输出组成（见下图）。
1.1充电管理
充电过程中，芯片PWM2口向降压电路提供32KHZ的PWM将5V输入电压降到4.2V 以下对移动电源进行充电,为了使移动电源的电池电压线性上升,程序中采用涓流、恒流、恒压的充电方式对移动电源充电。（如图2+图3 ：PWM2控制PMOS开关管AO3401，通过电感L1向电池BAT+充电）
图2：充电管理部分电路
1.2供电管理
放电过程中，芯片PWM2和PWM3口分别控制PMOS管AO3401和NMOS管H8205将输出端的电压升到5.2V，对外围设备进行供电。在对外供电的同时，检测负载端电流的大小和电池电压，防止负载过流和移动电源电池过放。 （如图2+图3 ）
图3：供电管理电路
1.3输入检测
移动电源充电取决USB-IN是否使能，供电可以通过KEY-IN或者LOAD-IN（负载接入检测）来启动，双击KEY-IN可以开关照明灯。
1.4显示输出
移动电源电量指示灯是通过检测电池电压的ADC值来变化的，充电过程中，随着电池电压的升高，电量指示灯会逐渐递增，电池充满时，电量指示灯全亮。相反，供电过程中，电量指示灯也会随着电池电压的减小而逐渐的减少，直至电池过放保护，所有的电量指示灯全灭。
二、软件设计
2.1充电管理的软件设计
现在市面上大多数移动电源都通过电源管理芯片TP4056/5056来实现对移动电源进行充电管理。虽然专用的充电管理芯片控制起来比较方便，但是成本会大幅提高。基于CSU8RF3421的移动电源应用通过软件控制PWM2的正宽频和采集电池电压以及充电电流的ADC来实现充电管理。正因为是降压充电，所以充电的PWM频率不需要太高，目前应用中采用32KHZ的频率。在PWM频率固定的情况下，通过软件来实时调整正负宽频的比例来实现不同时段的充电管理。
（A）、低电压阶段的涓流充电管理设计
由于电池过放保护后，电池的电量较低，如果一开始就用恒流的方式给电池充电，极易造成电池浮充，电量指示灯会急速变化，给用户造成错觉，并且容易产生大电流冲击电池。通过采集电池电压ADC的数据，换算成当前电池的电压，当电池的电压值小于3.3V时，对电池进行涓流充电，保证电池的电压在低电量的时候线性上升，涓流充电电流为0.01C（C为电池的容量）
（B）恒流充电管理设计
如果用大电流对移动电源进行充电， 电池的温度会快速升高，电池里的化学物质会加速老化，不仅会减短电池寿命，甚至可能出现爆炸。所以在充电过程中引入恒流充电。当电池电压没有达到恒压阶段（4.2V）时，要对移动电源进行恒流充电，由于充电过程中，电池的电压会不断的上升，为了保证恒定的充电电流，需要对降压的PWM2正负宽频进行实时的调整。恒流充电时，通过采集流经电池端的电流的ADC通道的数据，换算出当前的电流大小，以800MA的恒流电流为例，当充电电流小于770MA或者大于830MA时，通过调整降压PWM2的正负宽频来让充电电流保持在800MA左右。
（C）、恒压充电管理设计
由于锂电池电芯过充到高于 4.2V 后， 正极材料内剩下的锂原子数量不到一半， 此时储存格常会垮掉， 让电池容量产生永久性的下降。 如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限， 才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。为了防止电池过充，当电池的电压上升到4.2V时，对电池进行恒压充电， 一旦进入恒压充电阶段，充电电流会慢慢的减小，由于充电电流减小，所以要不停的调整降压PWM的正负宽频，让充电电压维持在4.2V，当充电的电流小于100MA时，则认为移动电源已经充满，此时需要关掉降压的PWM2。
2．2 供电管理软件设计
普通的移动电源是通过升压的DC-DC的芯片（M3LD/SY7208）进行升压供电，并且由于DC-DC芯片的局限性，供电端需要大的工作电流时，还得在DC-DC的外围电路上增加MOS扩流。不仅电路上元件没有减少，而且成本还非常贵。CSU8RF3421的移动电源应用方案利用芯片自身的两路高速PWM，分别同步控制PMOS和NMOS管，给供电端进行升压，为了给供电端提供稳定的5.2V的恒定电压，软件需要针对不同负载不同的电流进行快速的PFM调整，让供电端的电压维持5.2V不变。由于供电端接入的负载电流不确定性，所以供电端5.2V的调整反应要比其它的电流和电池电压检测要更快速。
2．3 用软件校准内部1.4V电压，为整个移动电源提供高精度的基准源
目前市面上多数移动电源都采用外部基准源（TL431或HT7533）给芯片的ADC提供参考电压，不仅占用了MCU的IO口，更重要是增加了方案的成本。CSU8RF3421的移动电源用MCU内部的1.4V的电压作参考，但内部1.4V的本身的域值太宽（1.35-1.45V），无疑给AD的测试带来极大的误差。为了不额外增加外部基准源的成本，又要保证基准源的一致性和准确性，芯海科技采用了独有的专利技术，对基准源进行数字校正。通过出厂前对基准电压的测试，得出一个初步的校准系数，在程序上电时，先读出这个校准系数，每次采完AD数据后，把采到的AD 值与校准系数相乘的结果除以8000H，得出修正后的12位*终AD结果。
(用内部1.4V作参考时AD校准方法如图4)
图4： 用内部1.4V作参考时AD校准方法
2.4. 软件用反证法来测试移动电源的电池电压，让测试结果误差更小
为了保证电池电压测试的准确性，所以软件特地用反证法来测试移动电源的电池电
压，方法如下：
用Vbat作参考，来测试内部1.4V（即1.4V作ADC的输入信号），由于内部1.4V的值已经校准过了，虽然电池电压会随着充放电的时间作线性变化，但是程序运算后的结果同样在作线性变化,同步保证测到的AD值与Vbat的变化高度一致。
软件的计算方法如下：
其中K为上电E方中内部1.4V初步校准系数
NA为Vbat(电池电压)作参考，用1.4V作AD输入采到的AD值
上述公式可以等效为：
即 1.4V作输入除以Vbat参考，乘以12位AD全码4096得出校准后的*终的AD值， 所以NA*8000H/K的计算结果就是我们*终的结果。2.5 用软件防止供电端在大电流的情况下拔掉负载时产生电压过冲
为了保证供电端不出现过冲的现象，软件中采取了以下的保护机制：
（A） 、减小5.2V AD通道的采样时间。
（B） 、减少5.2V AD通道采样的平均次数。
（C） 、在5.2V电压超过5.5V时，直接关断升压的两路同步PWM。
（D） 、当供电输出端的电压低于4.9V时，重新启动升压的同步PWM。
（E） 、程序主循环中把各个检测和控制功能分成一个个小的模块，比如：扫键模块、显示模块、测电池电压、测充电电流、测放电电流等等，但是主循环中，每处理这样一个小模块后，立马处理5.2V升压检测模块，以此来加快检测5.2V的升压模块的时间和增加检测的次数。通过这些措施，可以把过冲电压控制在6.2V以下，达到手机通信接口对输入电压异常脉冲的安全要求。
2.6 软件中产品安全性设计
（A）、 充电过程中检测到电池电压低于2.4V以下时,不启动降压PWM，防止电池长时间不使用漏液产生危害。
（B）、 充电时针对不同的电量采用涓流、恒流、恒压的模式，保证电池线性充电。
（C）、 充电电流大于1.25A时,要自动关断降压的PWM2,防止充电电流过大损坏电池。
（E）、 升压端的电压超过5.5V时，会关断升压的同步PWM，为了防止过冲，程序中300US就会对电压过冲作处理。
（F）、 5.2V输出端的做了过流保护，在大电流过流的情况下，芯片20MS就会作相应的保护动作。
(G)、 为防止电池用久了之后，没有办法达到恒压的电压时，在电池电压为4.15V时，作定时充电或者恒流充电状态检测PWM正宽频和小电流，防止长时间充电。
三 总结
基于CSU8RF3421的移动电源的应用,为客户省去了充电管理芯片、DC-DC的升压芯片、外置的基准源，简单的外围，低功耗的休眠模式，高效率的电能转换以及高品质的性能和高安全性的软件设计，为客户提供*具竞争优势的单芯片的移动电源解决方案。