【应用】SOC芯片SN5106用于高效率低成本同步整流单芯片移动电源设计,无需外围IC,效率高达93%
SN5106是乐得瑞科技针对高效率低成本同步整流单芯片移动电源设计的SOC芯片。主芯片集成了高精度基准源、PWM Buck和Boost电压调整功能,采用250KHz PWM Boost升压控制技术,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,SN5106无需外围其他IC,即可实现效率高达93%的同步整流单芯片移动电源,在2.1A输出条件下,效率仍然高于88%。最大支持2.6A(2A+1A单独限流)双口输出,具有电池过压/欠压保护功能,输出限流保护功能,从软硬件多层次保障系统安全。
■特点
●内置电量检测,4灯指示模式,(标准方案)充电时跑马灯指示,放电时点闪指示。
●脉冲式充电模式,充电效率高。支持对0V电池充电,精确的涓流/恒流/恒压三段式充电。
●充电时具有欠压过压保护。
●同步整流升压,效率高,温度低。
●手机插入自动启动升压功能。
●4kV ESD。
●保护功能齐全,独创恒流输出,技术领先。
●升压具有软启动功能。
●充电支持5V1A,5V2A充电,支持边冲边放功能。
●开关频率300-500KHz,可调制,能通过EMI、EMC测试。
●芯片待机功耗小于5μA,整机系统待机功耗可控制在20μA以下。
●内置LED手电驱动。
●电池过充、过放保护。
●输出具有空载自动识别关机功能。
■应用
●移动电源
●IPAD,MID备用电源
●MP3,MP4,手机等数码产品的后备电源
■系统设计
●同步整流单芯片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)。
■脚位图及说明
■详细设计
●PWM控制的充电管理(替代充电管理芯片[TP4056/5056])
根据锂离子电池的化学特性,充电过程可以分为预充电,恒流充电、恒压充电三个阶段。SN5106通过PWM控制的Bulk DC-DC电路,可以对充电过程的电流和电压进行灵活的控制,满足不同类型不同容量电池对充电电流和电压的要求,充分保证了充电过程的安全性和有效性。
●PWM控制供电管理(可实现同步整流,替代外围DC-DC芯片)
利用SN5106自身的高速PWM时钟,并巧妙复用充电过程使用的电感和开关元件,可实现同步整流的Boost DC-DC,放电效率最高达95%,考虑了移动电源系统环路的寄生电阻之后,综合放电效率可达93%,即使在放电电流达到2.1A的条件下,效率仍然可以超过88%。
●用数字校正技术校准内部1.4V基准源(省掉外部基准源[TL431或HT7533])
SN5106内置的1.4V基准电压本身存在偏差,通过采用具有专利保护的数字校正技术,校正后误差小于0.5%。
●同步整流单芯片移动电源电池的安全保障
SN5106为电池的短路及过流提供了硬件级保护机制,当移动电源外部被短路时,芯片的电源监测电路会在电池电压低于2V后,自动关掉所有的输出通路,确保电池安全。为了防止电池被过充电(例如,4.2V的电池,充电电压超过4.3V),SN5106采用了把电池电压直接作为Vref,反过来测试内部1.4V基准电压的方式,不需要外置的分压电阻,从而避免了因外部电路故障造成误测的可能性。保障了充电过程的电池安全。除此之外,系统启动前,及充放电过程中,都将对环路的反馈机制进行检测,从而保障系统是在闭环、安全的条件下运行。
有了以上软硬件多重保护机制,如果PCB上仍然使用了锂离子电池保护芯片(例如DW01),则可以保证锂离子电池保护芯片的保护机制不被触发,从而不需要重新激活。
●被充电设备的安全保障
当被充电设备处于大电流充电状态(1A或者2.1A)时,如果充电插口出现接触不良,有可能会引发电压过冲,从而伤害被充电设备,特别是软件级的DC-DC。SN5106最高指令速度可以达8M,一个主循环的时间经过优化后,可以控制在200μs以内,从而有效控制了过冲电压。经过测试,1A条件下,过冲电压不超过6.0V,持续时间不超过5ms,2A条件下,过冲电压不超过6.3V,持续时间不超过5ms,完全满足手机等被充电设备的安全要求。
■方案功能及电气参数
1.1 开关充电功能
1)开关充电,充电电流最大可达2000mA。
2)电池电压小于3.0V(电压点可调)时,进行涓流充电。
3)充电电压误差小于1%。
4)输入电压:5V。
5)充电电流恒流的误差±50mA。
6) 充电的最小电流50mA~200mA(可定制)。
1.2 Boost升压控制
1)输出电压5.0V(可定制)。
2)输出电压误差±2%。
3)最大输出电流3A。
4)转换效率(BAT=3.7V): 91%±1.5%(输出电流1A);87%±1%(输出电流2A)。
5)最小输出电流50mA。
6)升压端空载时,10秒之后进入休眠状态。
7)当移动电源充电过程中,触发按键,并且Boost升压端接有负载时,可以实现边充边放,但会优先Boost升压端。(流过Boost升压的负载电流会比充电电流大)
1.3 系统管理
1)USB-IN插入启动充电功能,当电池电压达到4.2V,并且充电电流小于50mA时,会自动关断降压的PWM。
2)按键触发控制Boost升压。
3)长按按键打开或关断照明灯。
4)输出电流监测,输出无负载或者输出电流小于50mA时,会自动关断升压PWM。
5)充放电电量显示。
6)电池电压低于3V自动关闭Boost升压。
7)休眠的电流在10μA以下。
1.4 电量显示(可定制闪烁方式)
■SN5106同步整流单芯片移动电源方案与传统的移动电源方案的区别
1)省去了充电管理芯片(如TP4056)。
2)省去了DC-DC芯片(如SY7208、XR3403)。
3)省去了外部参考电路 (如TL431)。
4)稳定性及可靠性好:ESD耐压高达8kV,EFT可通4kV,生产良率高,产品性能稳定。
■工作电性参数
●工作条件USB-IN=5.0V,VBAT=3.7V,TA=+25deg
■操作说明
1) 对USB-IN 通电对移动电源本身充电,LED 1Hz闪烁,指示其充电电量,随着电量的增加LED变化如1.1.4 电量显示,当电池充满时,四个LED灯全亮。
2) 当没有插入USB-IN,直接触发按键时,升压控制起作用,此时如果没有负载,8S后关闭电量显示,60s后升压控制会自动关闭。
3) 升压控制端加载负载后,当流经负载的电流小于100mA或大于2.6A时,升压控制会自动关闭。
4) 启动升压控制后,如果电池的电压低于3.0V,升压控制会自动关闭,防止电池过放。
■典型电路图
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