杜社會，肖啟國，譚家杰，游開明，楊曉鵬

(1.衡陽師范學院物理與電子工程學院，湖南衡陽421000；2.艾睿電子(深圳)有限公司，廣東深圳518000)

基于PSoC的便攜式移動電源的實現(xiàn)

杜社會1，肖啟國1，譚家杰1，游開明1，楊曉鵬2

(1.衡陽師范學院物理與電子工程學院，湖南衡陽421000；2.艾睿電子(深圳)有限公司，廣東深圳518000)

隨著移動終端產(chǎn)品的普及，電池的續(xù)航能力成為亟待解決的問題。針對現(xiàn)今市面上移動電源結構復雜、可靠性低等缺陷，根據(jù)移動電源的結構和原理，提出了一種基于PSoC芯片技術，以Creator集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺，以賽普拉斯(Cypress)PSoC為核心的移動電源設計方案，給出了硬件設計方案和軟件流程。該系統(tǒng)充分利用了PSoC在模擬和數(shù)字信號混合設計上的優(yōu)勢，具有高性能、低成本、低功耗、便攜式等特點，具有廣闊的應用前景。

便攜式；移動電源；PSoC；聚合物鋰電池

近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和便攜式智能終端產(chǎn)品的日益普及，對鋰電池性能提升的需求也越來越迫切。便攜式移動電源集儲電、充電和放電功能于一身，可以滿足電子產(chǎn)品的需求。目前國內(nèi)便攜式移動電源多采用微控制器或ASIC[1]，如SN8P2711A[2]、MCS51單片機[3]、STM32F103[4]、合泰HT45F4M單片機[5]等配合外部充放電電路、保護電路等來實現(xiàn)。以上方案都需要增加較多的外部芯片電路，成本高、可靠性低、效率低。本文結合鋰電池特點和《USB接口類移動電源》[6]行業(yè)標準，提出了一種采用賽普拉斯(Cypress)的可編程片上系統(tǒng)芯片(PSoC)，低成本、低功耗、兼顧安全性和長壽命的便攜式移動電源設計方案。

1 移動電源設計概述

根據(jù)鋰電池實際使用環(huán)境和“枝晶”特性，鋰電池充放電電路都需要增加保護電路。為了取得更高精度的保護，通常需要增加電壓電流采樣電路。故本系統(tǒng)由輸入輸出接口、鋰電池、降壓充電管理單元、升壓放電管理單元以及PSoC系統(tǒng)控制等部分組成[7]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 基于PSoC的移動電源系統(tǒng)框圖

PSoC是Cypress半導體生產(chǎn)的包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)[8]。電源經(jīng)過Charge USB口輸入，經(jīng)過充電管理電路對電池充電。當用此移動電源對設備充電時，先使用Boost升壓電路對電池電壓進行升壓，然后通過Output USB口輸出。為了提高系統(tǒng)的轉換效率，需使用同步整流技術。而移動電源的性能主要取決于電芯，本設計選擇兩個容量2600 mAh聚合物18650鋰電池并聯(lián)作為移動電源的電芯。

1.1 主控單元

所有Buck和Boost電路控制均由Cypress的CY8C28445實現(xiàn)。除此之外，充電接口的協(xié)議識別、過壓過流保護等也都由該芯片控制。

CY8C28445是一個速度高達24 MHz，運算速度達4 MIPS的8位Harvard架構微控制器[9]。PSoC的整體結構包括PSoC內(nèi)核、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、系統(tǒng)資源4個部分[10]，通過系統(tǒng)總線聯(lián)系在一起。其中數(shù)字系統(tǒng)由12個可配置的數(shù)字PSoC模塊組成，模擬系統(tǒng)由多達16個可配置的模擬模塊組成。GPIO能夠通過內(nèi)部互聯(lián)總線提供至CPU、數(shù)字資源和模擬資源的鏈接。每個引腳都有8種驅動模式可供選擇，在進行外部鏈接方面具有極大的靈活性。

1.2 輸入輸出接口

輸入接口使用目前市場較為通用的Micro B接口，此類接口是目前除了iphone外幾乎所有智能移動設備的接口。該接口主要實現(xiàn)兩個功能：一是電源電壓輸入，二是供電設備的探測。當該接口插入供電設備并檢測到電源后，遵從BC1.2充電協(xié)議檢測充電接口的負載能力。充電端為PC終端時，保證充電電流不超過500 mA；充電端為適配器時，恒流充電電流為1 A。

輸出接口使用通用的USB接口。為了增加對終端設備的識別能力，可采用TI的手機充電識別芯片TPS2154，通過該芯片系統(tǒng)可以自動識別手機的類型并建立充電連接。

1.3 降壓充電管理單元

依據(jù)鋰電池和輸入電源特點，充電時需要一個Buck降壓電路。充電管理單元電路由充電輸入接口單元、Buck轉換器單元和電池硬件保護單元組成。根據(jù)電池電壓的不同，充電可分為三個過程：預充電、恒流充電以及恒壓充電。由于系統(tǒng)在給鋰電池充電時存在恒流和恒壓模式，該單元除了有一個Buck拓撲的基本電路外，還需要電壓和電流的采樣電路作為系統(tǒng)閉環(huán)的輸入，其原理框圖如圖2所示。

圖2 Buck轉換器單元原理框圖

1.4 升壓放電管理單元

放電管理單元電路是一個Boost拓撲加同步整流的轉換器組成。系統(tǒng)給負載充電時，需要不斷調(diào)整PWM信號保證輸出電壓的穩(wěn)定性，同時提供過放檢測功能，其框圖如圖3所示。當使用此移動電源對不同容量的移動設備進行充電時，需要使用Boost升壓電路將電池電壓升到5 V，同時實現(xiàn)電流輸出可控，輸出具有過流保護功能。

系統(tǒng)用4個LED燈作為充電時的電量指示，如表1所示。

圖3 放電管理單元電路原理框圖

表1 LED指示狀態(tài)

2 程序設計

程序設計是在PSoC的專用開發(fā)環(huán)境PSoC?DesignerTM中進行開發(fā)的[8]。PSoC?DesignerTM是一個集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，用于對PSoC系列器件進行定制、配置和編程。根據(jù)項目的需要，可以在其中配置模擬和數(shù)字外設、編寫代碼，并調(diào)試，從而創(chuàng)建所需的PSoC應用。

2.1 主程序流程

系統(tǒng)上電初始化后，進入主程序。若檢測到外部電源(USB口或適配器)接入，則進入充電管理子程序；若檢測到外部負載接入，則進入放電管理子程序；若有按鍵按下，則進行容量顯示和狀態(tài)顯示[5]。此外在整個充放電過程中，會不斷檢測電池電壓/電流、放電電壓/電流、溫度等，以便及時處理異常事件；若無操作則進入低功耗狀態(tài)，等待喚醒。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

2.2 充電管理子程序

當檢測到輸入端有電源接入時，進入默認充電模式。系統(tǒng)首先將片內(nèi)采樣電壓和電流的AD進行偏置校準。如果電壓低于恒流充電的電壓值，則系統(tǒng)進入預充電模式，此時充電電流被限制在100 mA。當電池電壓達到正常充電電壓時，對電池進行恒流充電，此時充電電流為1 A。恒流充電結束后，進入恒壓充電模式，也就是終止模式，并持續(xù)檢測充電電流。如果充電電流小于最小恒壓充電電流，則關閉PWM信號，更新充電狀態(tài)標示(充滿電狀態(tài))，完成整個充電過程，如圖5所示。每種充電模式中都要不斷測量電池電壓，為避免停止充電時造成電池電壓回落引起測量誤差，需延時測量并使用三階平均值濾波，以提高測量的準確性和抗干擾能力。不充電時，由于系統(tǒng)有比較充足的CPU資源，測量電壓采用六階IIR濾波。

圖5 充電管理子程序流程

2.3 放電管理子程序

圖6 放電管理子程序流程

放電程序按輸出電壓和輸出電流控制設計，如圖6所示[5]。正常工作情況下，當電池電壓大于允許放電電壓時，調(diào)整PWM信號，保持輸出電壓為+5 V恒壓放電。在持續(xù)放電過程中，不斷監(jiān)測輸出電流。當輸出電流小于給定閾值或電池電壓低于放電截止電壓時，停止放電，置放電結束或過放電標志。

3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)制定的移動電源設計指標，參照《USB接口類移動電源》標準進行測試。測試項目主要包括電性能測試(過流、低壓、過壓、空載輸出電壓等)，安全保護性能，機械性能測試，環(huán)境適應性測試等。經(jīng)測試，整個系統(tǒng)的靜態(tài)功耗為52.6 μA，遠小于標準規(guī)定的100 μA。滿載時輸出電壓紋波 (峰-峰值)58 mV，不大于100 mV；4個LED燈均能正常指示。

3.1 充電測試

按照《USB接口類移動電源》中5.2.2.5條和5.2.3條規(guī)定的測試方法，充電測試結果如圖7所示，其中藍色曲線表示電池電壓，紅色曲線表示充電電流。采用電源適配器作為輸入，充電電壓為+5 V，充電電流1 A；初始充電時電芯空載電壓3.485 V，電芯輸入電流0.815 A，充滿電時電芯電壓4.232 V，終止充電電流閾值14 mA。

圖7 充電曲線

3.2 放電測試

按照《USB接口類移動電源》中5.2.2.1、5.2.2.2和5.2.3條規(guī)定的測試方法。首先把充滿電的移動電源靜置30min后測量空載輸出電壓為5.101 V。然后按照輸出端口標定的額定放電電流值1 A對輸出端口進行放電，直至放電電流被移動電源主動關閉，完整放電過程如圖8所示，其中藍色曲線表示電芯輸出電壓，紅色曲線表示電芯輸出電流。放電結束時，終止放電電壓為3.035 V；放電開始時電芯空載電壓5.039 V，電芯初始輸出電壓為4.094 V，電芯輸出電流1.36 A；放電結束時電芯空載電壓4.991 V。

圖8 放電曲線

3.3 轉換效率測試

按照《USB接口類移動電源》中5.2.2.6條規(guī)定的測試方法，待工作穩(wěn)定后記錄測試數(shù)據(jù)，如表2所示，測試結果應大于85%。

表2 轉換效率測試數(shù)據(jù)

4 結束語

本文詳細介紹了基于Cypress片上系統(tǒng)的便攜式移動電源的設計過程。經(jīng)過驗證，該方案使用PSoC器件完成了移動電源的設計，充分使用了PSoC系統(tǒng)上的硬件和軟件資源，用較少的外圍元器件，實現(xiàn)了各種參數(shù)可調(diào)整、多種功能可配置的移動電源方案。由于系統(tǒng)的保護實際上是由PSoC控制來實施的，因而最大程度上保證了電源的安全性和可靠性。與傳統(tǒng)采用模擬控制方式的移動電源相比，該系統(tǒng)電路簡潔實用，易于開發(fā)。樣機實驗驗證了此移動電源性能穩(wěn)定、轉換效率高、低成本、低功耗、高可靠，基本滿足了《USB接口類移動電源》標準規(guī)定，體現(xiàn)了低碳、環(huán)保和節(jié)能的設計理念，具有較廣闊的應用前景。目前該技術方案已經(jīng)投入小批量測試階段。

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Realization of portable mobile power supply based on PSoC

With the popularity of mobile intelligent products,the battery capacity is an urgent problem to be solved.In order to simplify the structure of the traditional portable power supply,enhance its dependability,according to the structure characteristics and principles of mobile power supply,based on PSoC (programming system on chip) technology,with the IDE PSoC Creator as the development platform,a design scheme based on the Cypress PSoC was put forward.The details of hardware circuit and software flow were given.The system makes full use of the advantages of mixed design of PSoC on analog and digital signals.The system is characterized by performance steadily,low cost,low power consumption,portability,having vast application prospect.

portable mode;mobile power supply;PSoC;polymer lithium battery

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1191-03

2015-12-10

湖南省普通高校光電課程組教學團隊項目 (湘教通[2011]314號)；湖南省電子信息類專業(yè)人才校企合作培養(yǎng)基地項目(湘教通[2013]295號)；衡陽師范學院教改項目(JYKT201430)；衡陽師范學院科學基金青年項目(12A23)；光電信息技術湖南省應用基礎研究基地開放課題項目(GDXX015)

杜社會(1983—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為模式識別、智能信息處理。