基于ASC8511 的电源管理系统

孟上海，董林玺

(杭州电子科技大学微电子CAD 所，杭州310018)

随着科学技术的发展，便携式设备在不断推陈出新，锂电池因其体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，近年来已经成为便携式设备的首选电源［1］。锂电池的特性以及应用环境的需求，对便携式设备电源管理［2］方案的设计提出了更高的要求，特别是锂电池充电电路。锂电池充电技术已非常成熟，以手机电池充电器为代表的普通的锂电池充电电路，在日常中得到了广泛的应用，但不具备智能充电管理功能。本文设计了一种以ASC8511 锂电池充电电路为核心的便携式设备电源管理系统，可实现锂电池充电的智能管理。系统输出电压可配置等，可为电源电压为5V、6V、12V 等不同要求的便携式设备供电。

1 ASC8511 性能测试

ASC8511 是开关式、同步整流单节锂电池充电管理芯片，采用峰值电流模式控制的BUCK 拓扑结构，最大充电电流可达2.5A。ASC8511 通过恒压控制环和恒流控制环来调整锂电池充电电压和恒流充电电流。ASC8511 集成电池过温保护、充电时间限制、输出短路等保护功能，通过NTC 检测电池温度，可以实现电池过热保护功能，2 个LED 指示灯指示电池充电状态。ASC8511 采用16 脚T-SSOP 封装。ASC8511 应用电路如图1 所示。

图1 ASC8511 应用电路

1.1 可编程充电电流测试

通过设置RSNS和RISET的值可以设定电池恒流充电电流，RISET为连接ISET管脚的外接电容，首先选择检流电阻RSNS。为了兼顾电流检测精度和充电效率，RSNS上的压降VSNS最好设定在100 mV ～200 mV 之间。

式中，ICC为恒流充电电流。

如果RSNS计算值不是标准电阻值，则取最接近的电阻值。得到RSNS的值后，可通过下式计算RISET:

VISET是ISET管脚的电压，内部设定为1. 5 V。KISET是电流检测系数，典型值为2 000/RSNS。例如，如果设置恒流充电电流2 A，选择VSNS=200 mV，通过式(1)可得到RSNS=0.1 Ω。然后通过式(2)可得到RISET=15 kΩ。充电截止电流ITERM/恒流充电电流ICC=1/8，KTERM=1/8，即充电截止电流为恒流充电电流的1/8。

测试条件:取3 片芯片，分别设置恒流充电电流ICC为600 mA、1 A、1.5 A，取RSNS=0.1 Ω，由计算式(2)得，RISET分别为50 kΩ、30 kΩ、20 kΩ，充电截止电流ITERM分别为75 mA、125 mA、187.5 mA。分别在芯片工作在预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段直至充电截止，测量RISET的电压VISET、恒流充电电流ICC、充电截止电流ITERM。

如表1 所示，测得的恒流充电电流和充电截止电流与理论值接近，算得KTERM范围为1/8.41 ～1/7.52，与理论值接近。

表1 恒流充电电流和充电截止电流测试结果

1.2 充电过程测试

完整的充电过程可分为3 个阶段:预充电、恒流充电(CC)［3］、恒电压充电［4］(CV)。当电池电压低于VLOWV，对电池进行涓流充电［5］，即预充电，充电电流为恒流充电的1/5。当电池电压高于VLOWV，将进入恒流充电阶段。在恒流充电阶段，充电电流恒定［6］，电池电压会快速上升。当充电电流开始下降，充电进入恒压充电阶段。当充电电流下降到恒流充电电流的1/8，ASC8511 给出“充电结束”(EOC)信号。

测试条件:输入电压5.0 V，外接电池电压2.75 V，RISET=30 K，即设定恒流充电电流为1 A，预充电电流为200 mA，充电截止电流为125 mA。

充电过程如图2 所示:

0 ～T1:预充电阶段，充电状态指示灯红灯点亮。充电电流为恒流充电电流的1/5，即200 mA。

T1～T2:恒流充电(CC)阶段，ASC8511 以恒定的恒流充电电流给电池充电，电池电压不断升高。电池恒流充电电流为0.98 A，接近理论值。

T2～T3:恒压充电(CV)阶段，电池电压4.17 V恒定不变，充电电流不断降低。

T3时刻:充电电流下降到设定的充电截止电流125 mA，充电过程结束，红灯熄灭，充满状态指示灯绿灯点亮。

ASC8511 的预充电功能、恒流充电功能、恒压充电功能性能优越，满足系统设计要求。

图2 ASC8511 充电过程曲线图

2 系统硬件设计

2.1 供电方式

便携式设备可能工作在有市电电源或无市电电源的环境下，为保证在不同的工作环境下都可为锂电池充电，该系统中设计了3 种供电方式为锂电池充电电路供电，以保证锂电池电压能够驱动升压电路输出稳定5 V 电压，使便携式设备正常工作。

3 种供电方式分别为:5 V 电源适配器供电、USB 接口供电、太阳能电池板供电，可根据具体工作环境选择供电方式。其中，5 V 电源适配器供电方式，在市电环境下即可工作，简单方便;USB 接口供电方式，电脑、移动电源等带有USB 接口的设备都作为供电电源;太阳能电池板供电方式，在工作现场没有市电电源及带有USB 接口设备的情况下，在一些极端环境下可为设备供电。其中，5 V 电源适配器和USB 接口都提供5 V 电压，可统一为一个选择接口;太阳能电池板电压为6 V，作为另一选择接口。可拨动选择开关，选择供电方式，5 V 电源适配器或USB 接口供电，选择5 V/USB 档;太阳能电池板供电，选择SOLAR 档。

2.2 可编程充电电流电路

该系统采用的太阳能电池板型号为RPS-2.5-12M，指标为:标准功率2.5 W，峰值电压6 V，峰值电流0.43 A，尺寸200 mm×200 mm×3.2 mm。单片电池板功率过小，且峰值电流过小，即充电电流过小，则锂电池充电时间会很长。为驱动充电管理芯片工作以及缩短充电时间，将两片电池板并联［7］为充电电路供电，可解决功率及峰值电流过小的问题，最大电流为0.86 A，即采用太阳能电池板给锂电池充电时，充电电流要小于0.86 A。

为解决不同供电方式情况下，充电电流不同的要求，应用ASC8511 的可编程充电电流功能，设计了简单实用的可编程充电电流电路，如图3 和图4所示。图3 中可编程充电电流电路1，默认充电电流为0.75 A，可拨动充电电流选择开关改变ISET引脚的电阻阻值，选取特定的充电电流档位，可选充电电流1 A、1.5 A、2 A 和2.4 A;该电路可选充电电流档位多，可方便快捷的实现充电电流的切换调节，但需拨动开关选取电流档位，不具备充电电流的智能切换调节。图4 中可编程充电电流电路2，可实现充电电流的智能切换调节，方便、快捷、无需手动调节。电路2 包含2 个可选电流档位，可根据需要增加一组或多组该电路，只需选择合适的电阻、设置不同的控制信号即可增加可选充电电流档位。

图3 可编程充电电流电路1

图4 可编程充电电流电路2

该系统采用如图4 所示的可编程充电电流电路2，可方便地实现不同供电方式下，充电电流的切换调节，满足充电要求［8］，同时兼顾太阳能电池板供电时充电电流不能过大的设计要求。使用5 V 电源适配器或USB 接口供电时，DC5V/VUSB 为高，三极管T1和T2导通，ASC8511 的ISET 脚电阻RISET=20 kΩ，由式(2)可得ICC=1.5 A;使用太阳能电池板供电时，DC5V/VUSB 为低，三极管截止，RISET=40 kΩ，ICC=0.75 A，即可满足充电电流小于0.86 A 的要求。

2.3 升压电路

在工作时，随着放电，锂电池的输出电压会从最高的4.2 V 慢慢下降到3.0 V。对于这样宽的输入电压变化，通常都会有升压电路输出固定电压为便携式设备供电。便携式设备常用的电源电压为5 V、12 V等，本系统实现了固定输出5 V 的升压电路，为便携式设备提供电源电压。

MC34063［9］是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5 A 的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

MC34063 的DC-DC 升压式转换应用如图5 所示，其输出电压值可通过改变R3、R4电阻值来进行调整，其输出电压符合以下公式:

分别取R3、R4为30 kΩ、10 kΩ，由式(3)得，输出电压VOUT=5 V。改变R3、R4的值，VOUT相应改变，可输出固定6 V、12 V 等电压，该电路可方便的应用到5 V、6 V、12 V 等不同电源电压的便携式设备。

电路中限流电阻取值为0.1 Ω，因此输入电流被限流在0.3 V/0.1 Ω=3 A，改变限流电阻即可改变限流值。

图5 MC34063 应用电路

2.4 电池电压过低提示电路

本系统设计了一种简单实用的方法，通过电压检测芯片XC6101A035 测试锂电池电压［10］，来提示电池电压是否过低，警告用户及时充电［11］，以免电池电压过低而影响便携式设备的正常工作。XC61 系列芯片是一系列高精度、低功耗的电压检测芯片，可根据检测电压VDF选取不同型号的芯片。本系统使用的锂电池，有效电压最低为3.0 V，为保证便携式设备可正常工作，设定过低电压提示值为3.2 V，故选择检测电压VDF为3.2 V 的XC6101A032。电源电压与限流电阻、LED 发光管、XC6101A032 输出电压形成指示回路。当电池电压高于3.5 V 时，XC6101A032 输出电压为电池电压，LED 熄灭;当电池电压低于3. 2 V 时，XC6101A032 输出电压为0，LED 点亮，发出电池电压过低提示，告知操作人员及时充电。

3 结束语

锂电池供电的便携式设备中，电源管理系统是整个设备能够正常工作的基础，锂电池充电电路又是电源管理系统的关键，因而锂电池充电管理芯片的选择至关重要。应用ASC8511 芯片仅须少量的外围元件，就可实现低成本的单节锂电池充电方案。ASC8511最高可达2.5 A 的充电电流，可大大缩短充电时间，实现锂电池的快速充电。同时，具有较宽的工作温度范围以及NTC 温度检测功能，可保证该锂电池充电电路可在不同的环境下工作。以ASC8511 为基础的锂电池充电电路，可选择3 种供电方式，灵活方便;同时，在3 种供电方式下，可智能地实现充电电流的切换调节，满足太阳能电池板供电时充电电流不能过大的要求。配合MC34063 升压电路的应用，在锂电池有效工作电压条件下，可稳定输出5V 电压，为便携式设备供电;可改变升压电路反馈电阻的阻值调节输出电压。该电源管理系统可实现锂电池的智能快速充电，输出5 V 电压可为多种便携式设备供电，电池电量过低警报提醒用户及时充电。

［1］ 韩刘，秦燕.锂电池线性充电管理芯片LTC4065 及其应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009，9(6):46-48.

［2］ 王非，刘昊，田晓明.手持终端设备中的锂电池充电技术［J］.电子器件，2004，27(4):757-758.

［3］ Chen Chen，He Lenian. Chip Design of Li-Ion Battery Charger Operating in Constant-Current/Constant-Voltage Modes［J］. 半导体学报，2007，28(7):1030-1035.

［4］ 吴声岗，陈智发. 一种大电流开关型锂电池充电电路的设计［J］.电子工程师，2007，33(10):31-33.

［5］ 张惠，冯英.电源大全［M］.成都:西南交通大学出版社，1993:135-162.

［6］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］. 北京:电子工业出版社，1998:33-58.

［7］ 李晓帆.针对锂电池的太阳能充电器的设计［J］.微型机与应用，2012，31(4):89-91.

［8］ 李维姣，赖大坤.便携式移动监护仪的电池与电源管理［J］.中国医疗器械杂志，2009，33(1):15-19.

［9］ 管小明，李跃忠，王晓娟. 基于MC34063 的便携式仪器电源电路设计［J］.东华理工大学学报学报，2010，33(1):97-100.

［10］ 雷晶晶，李秋红，龙泽，等. 锂电池组单体电压精确检测方法［J］.电源技术，2006，36(3):332-334.

［11］ 高婷婷.基于MAX1758 的锂离子电池充电管理系统设计［J］.电源世界，2008，5(10):62-65.