便携式移动电源电量显示控制电路的设计

陈　飞

(西安电子科技大学 电路CAD研究所，陕西 西安 710071)



便携式移动电源电量显示控制电路的设计

陈飞

(西安电子科技大学 电路CAD研究所，陕西 西安 710071)

针对便携式移动电源在充放电时的电量显示控制问题，文中基于常用的电池电量显示标准，设计了一种控制移动电源在充电与放电时电量显示状态的电路，该电路将电池的分压与芯片中升压模块的基准输入比较器比较，结合时钟信号进行逻辑控制，将电量显示分为多个阶段，采用4个LED显示。同时当芯片其他模块工作异常时，引入状态异常指示，提醒用户采取措施。采用TSMC0.35 μm工艺，在Cadance平台Spectre环境下进行仿真，仿真结果证明设计达到了预期效果。

电量显示控制；充放电；电路异常指示

以智能手机为代表的手持设备性能不断提高，屏幕尺寸越来越大，数码产品自身电池能量无法满足日常所需，于是移动电源应运而生[1]。移动电源是一种集供电和充电功能于一体的便携式充电器[2]。移动电源单机容量可达20 000 mAh，彻底解决了户外活动时的供电问题[3]。移动电源主要由储电电芯和控制电路两部分组成[4]，而控制电路主要由3部分构成：Charger充电部分、Boost升压部分和电量显示部分。Charger充电部分主要负责将外部能量储存于电池中，Boost升压部分将可变的锂电池电压转换成为稳定的输出并提供一定的带载能力[5]。前两者的架构一般较为固定，电量显示控制电路根据不同的显示方法设计相对灵活。

1　目前存在的电量显示方法

电量显示的目的在于告诉用户移动电源的可用性[6]，个别移动电源一般只搭配一个显示灯，在电池充满之后熄灭。但随着移动电源电池容量越来越大，多数情况下人们等待不了过长的时间，多会在移动电源电池未充满时就会拔掉充电电源使用，显然利用一个显示灯不能满足这种需求，若灯越多细分的越精确，但这又会增加系统的功耗与体积，而且过度精确的细分并不需要。目前应用较多的有两个灯显示到4个灯显示不等，不同的显示状态对应不同的电池电压或是储存能量占电池额定能量的百分比，且一般会使用不同颜色的LED灯管。值得注意的是现在的显示方法大多均集成了系统异常指示，比如当系统发生过温过压输出短路时就触发异常的显示状态，用户据此可及时采取措施或者终止操作，避免危险的发生。

2　本文设计的电量显示电路

2.1显示状态设计

本文采用4个LED灯显示，具体的显示状态如表1和表2所示。

表1　充电时电量显示状态

表2　放电时电量显示状态

为了避免在电池电压低于Boost欠压锁定阈值充电时出现LED无法显示的问题，在充电时从Charger模块引入一路电流到LED1。因此LED1闪烁的状态是亮度明暗周期性变化，而LED2和LED3闪烁的状态是亮灭周期性变化。文中在同一个灯充电时的翻转点与放电时的翻转点之间加入迟滞。另外，当Charger系统或Boost系统工作时，若发生过温、过压、过流、输出短路等异常时，4个灯将开始同时闪烁，指示用户系统工作异常。根据以上要求，首先给出所设计的控制框图，之后给出各部分的具体电路图。

2.2显示控制电路框架规划

图1　电量显示控制电路框图

如图1所示，首先在电路中加入VBAT到地的一路分压电阻，形成4个分压比divide1～divide4，其分压比比值依次减小。针对分压电路文中加入Charge信号控制，通过是否短路一部分电阻从而在充电与放电时形成不同的分压比，用以产生充电与放电时对应显示转换点之间的迟滞。电路中引入4个比较器，比较器的负相端接Boost部分产生的基准Vref，正相端接divide1～divide4,充电时电池电压从低到高，其分压输出从低到高，divide1～divide4会分别达到该基准电压，4个比较器依次翻转，L1，L2，L3和L4依次翻低，对应4个不同的显示状态转换点。放电时电池电压降低，4个比较器依次翻转，L4，L3，L2和L1依次翻转高，最后Boost系统进入欠压锁定状态，UVLO信号为高。L3，L2，L《》1，UVLO信号的翻转对应着显示状态的4个转换点。Charge与Discharge用以在充放电时形成不同的控制信号，Fault信号为前述系统异常指示信号，在Charger部分与Boost部分出现异常时起作用。T1与T2为由振荡器输出信号经过整形分频之后输出的时钟信号，用以控制电路在正常工作时与出现异常时LED1～LED4闪烁时的不同闪烁周期。LED1～LED4为输出外接发光二极灯管。MP1～MP4为镜像管，确定了流过LED的电流大小。MP5～MP12为开关管，受逻辑模块输出的控制信号K1～K8的控制，实现对电量显示状态的控制。需要注意的是由于LED的电流要比较大，同时为了保证在较低电压下LED1～LED4输出端的电压均可达到发光二极管中的PN结的导通电压，因此此处二极管尺寸都要给的比较大以承受更大的电流同时降低自身的过驱动电压[7]。如前所述可看出，当充电信号有效(Discharge为低)时Charger的电源VIN会向LED1送入一路电流使得只要是充电状态，LED1一直保持点亮。

2.3子模块具体电路实现

图2　分压电路与比较器电路图

图2中左半部分给出了分压电路的示意图，设充电时的翻转点为VCi(i=1,2,3,4)，放电时的翻转点为VDi(i=1,2,3,4)则有

(1)

(2)

其中，Vref为Boost模块产生的输入比较器的基准，Rdson为M1导通时的等效电阻。理想上希望M1导通时是一个短路的状态，因此必须将Rdson降得尽可能小，从直观上讲就是要给M1更大的尺寸。同时因为此串分压电阻始终导通，故为了减低功耗，此处电阻的阻值应尽可能大，但同时还应考虑到版图面积与大电阻引入的寄生效应的影响[8]。

图2中右半部分给出了所使用的比较器电路图。采用普通的两级比较器，当分压比divideN(N=1,2,3,4)高于基准电压Vref时比较器输出LN翻转为低，fault信号作为使能信号，系统发生异常时，fault信号为高，4个比较器的输出L1～L4全部为低。此处需要注意的是，为保证实际显示的状态转换点接近理论设计值，需要将比较器的失调降低到尽可能小，首先输入对管M3和M4应当选取较大的尺寸，在版图中应采用匹配画法[9]，其次就是M1与M2的尺寸的设置，若M5，M6和M7采用相同的尺寸，则M1的尺寸应当是M2的2倍。若M5和M6采用相同的尺寸，M7的尺寸是其2倍，则应当选取M1与M2尺寸一致。同时M5，M6和M7应当选取长沟道器件，以减弱沟道长度调制效应引入的误差[10]。因电池电压的上升是一个缓慢变化的过程，且又会携带噪声引入的波动，为此文中给比较器的输出加入一个施密特触发器，引入滞回，防止LN的反复翻转。之所以不使用迟滞比较器架构的原因是要达到效果，则迟滞量应较大，分压比较大的迟滞量反映到VBAT电压上就会过大，远超过设计的50 mV迟滞。此外，在版图的设计中应当选取分压电阻的地与Boost基准的地选取同一个地线，且其走线应尽可能的短。

图3　控制逻辑示意图

图3给出了逻辑控制电路图。如图中所示，T1和T2为振荡器输出经过分频后的时钟信号，其占空比均为50%。电路正常工作且处于充电状态时，Discharge信号为低，fault信号为低。T3为与T1频率相同相位相反的信号，T4恒为低。Boost系统脱离UVLO状态以后，UVLO信号翻转为低，K1为低，而此时在L1翻转为低之前，K2为与T3同频率的信号，此时LED1便按照K3的变化闪烁，同时L1为高，K3为高，LED2支路关断。直到L1翻转为低，此时K2恒定为低，LED1开始常亮，L1翻转为低，K3为低，LED2便开始以与T3相同的频率开始闪烁，直到L2翻转为低，LED2常亮，后续分析同理。电路正常工作且处于放电状态时，设此时电池电压为充满后的电压，Discharge信号为高，T3和T4均恒定为低。因此K2，K4，K6和K8恒定为低，当电池电压高于3.75 V时，L3为低，K7为低，故LED4常亮。当电池电压低于3.75时，L3翻转为高，K7为高，LED4熄灭。其余转换过程同理，直到电池电压低于欠压闭锁门限，UVLO信号为高，LED1熄灭。无论充电或是放电当系统发生异常时，fault信号为高，T3为高，T4为与T2变化同步的信号，此时因L1～L4全部为低，K2，K4，K6和K8全部为低，于是K1，K3，K5和K7便跟随T4的时钟周期进行闪烁，因此便出现系统工作异常时4个灯全部闪烁的情况。

3　仿真结果

选取VBAT从2.85 V匀速上升到4.2 V后再匀速下降到2.85 V，观察LED1～LED4端口电压的变化情况。仿真结果如图4所示，可看到LED1～LED4在充电时都是先后从闪烁到常亮，放电时均先后是从常亮到熄灭，仿真结果符合设计预期。设置VBAT=3.8 V， fault=3.8 V，仿真系统出现异常时的显示状态，仿真结果如图5所示，LED1～LED4均是以相同的间隔闪烁，符合设计要求。需要说明的是，为了便于仿真，此处等倍数的缩小了时钟信号的时间长度，同时仿真时未加入Charger的电源VIN向LED1注入的那一路电流。

图4　充放电状态显示波形图

图5　系统异常仿真波形图

4　结束语

设计了一种应用于移动电源的电量显示控制电路，采用4个LED灯显示，符合目前最流行的显示方式，可使用户方便的了解电池电量的存储情况。同时当系统工作异常时，4个灯同时闪烁提醒用户采取措施，该设计具有一定的实用参考价值。

[1]丁成功,王升鸿.便携式移动电源的研究与设计[J]. 伺服控制,2013(4):67-69.

[2]潘泽坤.移动电源的行业现状与发展前景[J].广东科技,2015,24(6):49-51.

[3]陈文礼.一款经济实用的移动电源设计[J].电子技术,2013(10):24-25,19.

[4]陈永强,刘国荣,张丽.移动电源行业标准现状分析及建议[J].日用电器,2014(4):39-44.

[5]万元姣.一款多功能移动终端用电源管理IC设计[D].南京:东南大学,2008.

[6]白继彬.电源管理半导体[J].电力电子技术,2008, 42(12):29-32.

[7]李君.低输入BOOST DC/DC转换器的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2010.

[8]Behzad Razavi.模拟CMOS集成电路设计[M].王志华,译.北京:机械工业出版社,2013.

[9]Hastings A.模拟电路版图艺术[M].王志功,沈永朝,译.北京:清华大学出版社,2007.

[10] Li W,Yao R,Guo L.A low power CMOS bandgap voltage reference with enhanced power supply rejection[C].Beijing: IEEE 8th International Conference on ASIC, IEEE,2009.

Design of Power Display Control Circuit for Portable Powers

CHEN Fei

(Institute of Electronic CAD, Xidian University, Xi’an 710071, China)

This paper designs a circuit for controlling the power display status when the mobile power is under charging and discharging. In this circuit, the battery voltage’s dividers and boost module’s reference are input into the comparator, combined with the clock signal for logic control. The power display is divided into multiple stages. Power display is achieved with 4 LEDs. In case of anomaly of other modules of the chip, an abnormal state indicator is introduced to remind the users. This circuit uses TSMC0.35 μm process. Cadence simulation in Spectre environment shows that the design achieves the desired effect.

power display control; charging and discharging; circuit exception indicates

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.005

2015-11-18

陈飞(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：数模混合集成电路设计。

TN386.1

A

1007-7820(2016)08-014-04