高效率移动电源设计与研究

学科分类号
本科生毕业论文(设计)
题目（中文）：高效率移动电源设计与研究
（英文）：The Design and Research of high efficiency mobile
power supply
学生姓名：叶剑
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指导教师：
起止日期：
年月日
怀化学院本科毕业论文(设计)诚信声明
作者郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。

对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。

本声明的法律结果由作者承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：
年月日
目录
1绪论 ................................................ 错误！未定义书签。

1.1本课题研究背景........................... 错误！未定义书签。

1.2 本课题研究的目的和意义 (2)
1.3 本课题研究的总体思路 (2)
1.4 本课题研究的主要任务 (2)
2 移动电源的研究和分析 (3)
2.1 移动电源的定义 (3)
2.2 移动电源的适用范围 (3)
2.3 移动电源的工作原理 (4)
2.3.1移动电源的电芯 (4)
2.3.2升压系统 (5)
2.3.4 电池管理系统 (5)
3硬件系统电路设计 (6)
3.1 ZS6366芯片介绍 (6)
3.2硬件设计 (11)
4 电路总结 (15)
4.1 充电管理 (15)
4.2升压功能 (16)
4.3 保护功能 (17)
4.4 电池电量智能显示功能 (18)
4.5 手电筒功能 (18)
4.6 系统其他控制功能 (18)
4.7 硬件电路元件清单 (17)
5 电路测试 (18)
6 结论与展望 (18)
7 结束语 (19)
致谢 (19)
参考文献 (20)
高效率移动电源的设计与研究
⏹摘要
截止2014年5月，中国智能手机用户数已达到3.52亿人。

这充分表明了智能手机已经成为我们日常生活中必不可少的工具。

我们拨打电话，听歌、上网、看电影、导航、记事等等都需要用到它，尤其在目前3G和wifi等畅通的网络环境下，智能手机俨然已经成为了生活中的“万能侠”。

不过就是这样的“万能侠”也有着致命的弱点：就是“电量不足”，这也是智能手机高速发展至今的一个技术瓶颈，而移动电源的出现恰恰成智能手机的最佳后盾。

目前不少智能手机的用户，都会配备一个移动电源，以备不时之需。

本文主要完成对移动电源进行硬件。

硬件部分，本设计采用ZS6366移动电源专用管理IC，集成了锂电池充电管理，DC-DC升压限流，电池电量显示，LED手电筒状态及按键控制为一体的便携式电源管理IC。

⏹关键词
移动电源; ZS6366
The Design and Research of high efficiency mobile power supply
⏹Abstract
As of March 2014, the number of smart phone users in China has reached 352 million . This fully shows that the smart phone has become an indispensable tool in our daily lives. Call, listening to music, Internet, watching movies, navigation, Notepad, etc. need to use it, especially in 3G and wifi open network environment, the smartphone seems to have become a life "Getter Robo". But is this "Mazinger has a fatal weakness:" low battery ", which is the smartphone rapid development of a technical bottleneck since precisely the emergence of mobile power into the best smartphone backing. At present many smartphone users, will be equipped with a mobile power, to prepare for contingencies.
This thesis completed the hardware and software design of mobile power.
⏹Key words
Mobile power supply ; the ZS6366
⏹1绪论
⏹ 1.1 本课题研究背景
随着全球经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，随身携带式的电子产品也越来越多，如笔记本电脑、平板电脑、手机、数码相机、摄像机、便携式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖设备、医疗保健设备等。

它们都要用到电池，但这些设备的原配电池都会因为电池容量低而不能满足设备的正常使用时间。

当出差或旅游时又是这些设备的工作高峰期，经常在关键时刻电池没有电了，特别是在手机正在打电话时，数码相机正在拍照时，PSP游戏机玩的正起劲时，PDA正在工作时等等，让您感觉很无奈和无助。

而您也不可能把每种设备都配一个备用电池，不但成本高而且也不方便。

基于此，为了解决人们的这种烦恼问题，移动电源应运而生。

移动电源最早出现在2001年的CES展览上，那时只是在CES沙摊馆的一地摊似的展览位上，是一个留学生用几节AA电池再带一个控制电路而拼凑起来的。

当时这个不起眼的东西，因它能在任何地方给数码产品充电而引起许多参展商的关注。

被探子们发现后，许多人士跟风而上，大有要把盏这个新产品----移动电源大炒一把之势。

移动电源概念是随着2012年数码产品的普及和快速增长而发展起来的，其定义就是方便易携带的大容量随身电源。

从2012年起数码产品功能日益多样化，使用也更加频繁，如何提高数码产品使用时间,发挥其最大功用的问题就凸显重要了。

移动电源，就是针对并解决这一问题的最佳方案。

拥有一块电源,就可以在移动状态中随时随地为多种数码产品提供电能(供电或充电)。

移动电源一种集供电和充电功能于一体的便携式充电器，可以给手机等数码设备随时随地充电或待机供电。

一般由锂电芯或者干电池作为储电单元。

区别于产品内部配置的电池，也叫外挂电池。

一般配备多种电源转接头，通常具有大容量、多用途、体积小、寿命长和安全可靠等特点，是可随时随地为手机、数码相机、MP3 、MP4 、PDA 、掌上电脑、掌上游戏机等多种数码产品供电或待机充电的功能产品。

移动电源的安全性也是一直以来受到人们重视的问题，然而在市场杂乱无章的情况下移动电源的不安全因素也是越来越多的。

移动电源一定要具备：短路、过充、过放、恒流、恒压等保护措施，还应有高性能电源管理技术。

⏹ 1.2 本课题研究的目的与意义
锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。

此外，锂离子电池还有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点。

但是，锂电池也是极其脆弱的，对锂电池过充、过放、过电流及短路都会对其造成不可逆转的损害。

因此，我们需要对其充放电过程进行全面的保护。

有了移动电源可以解决众多移动设备的电源供给问题，从而彻底解决缺电之苦，使工作和旅游无忧无虑。

市面上有的产品容量高，单机容量可达14000mAh 到20000mAh，智能电量指示，一般采用聚合物锂离子电芯，广泛用于5V的设备。

⏹ 1.3 本课题研究的总体思路
锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，用开关方式对电池进行涓流/恒流/恒压三段式充电。

当电池电压低于3V 时进行涓流充电。

当电池电压高于3V 时进行恒流充电；当电池电压接近4.2V 时进行恒压充电，此时充电电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的1/10 时，4 个LED 灯全部常亮，指示电池已经充饱。

充饱时，芯片可选择电流进一步减小到零，电压系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。

文中介绍设计的移动电源，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了智能充电管理外，充分利用升压电路的智能性，设有完备的电压电流检测保护电路，并通过LED 显示电路的状态，以LED的亮灭变化表示电池电量。

还具备手电筒功能，这种便捷的移动电源几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。

⏹ 1.4本课题研究的主要任务
结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于多功能高性能的移动电源。

查阅相关资料，完成系统整体电路设计，并完成调试。

在预期的时间内，满足系统的要求。

具备充电电路使用降压方式，放电电路可使用升压方式，带有电量指示，对电池有防止过充、过放及输出断路等保护，适用于手机便携充电，成本低、实用性较强、体积小和续航能力强等特点。

⏹ 2 移动电源的研究和分析
⏹ 2.1 移动电源的定义
移动电源一种集储电、供电和充电功能于一体的便携电池充电器。

可以给
手机、平板电脑、相机等数码设备随时随地充电或待机供电。

有于技术不段发展，新的功能应用也逐步增加，如LED照明。

太阳能电池技术的融合等一般由锂电芯电池、太阳能电池或者干电池作为储电单元。

区别于产品内部配置的电池，移动电源，也叫“外挂电池”、“外置电池”、“后备电池”、“数码充电伴侣”、“充电棒”、“充电宝”，由于适应多种产品所以一般配备多种电源充电转接头，通常具有大容量、多用途、体积小、寿命长和安全可靠等特点，是可随时随地为手机、MP3、MP4、PDA、掌上电脑、掌上游戏机等多种数码产品供电或待机充电的功能产品。

⏹ 2.2 移动电源适用范围
随着全球经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，随身携带式的电子产品也越来越多。

1、通用性
如笔记本电脑、平板电脑、手机、数码相机、摄像机、便携式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖设备、医疗保健设备等。

2、实用性
电子设备的原配电池都会因为电池容量低而不能满足设备的正常使用时间。

当出差或旅游时又是这些设备的工作高峰期，经常在关键时刻电池没有电了，特别是在手机正在打电话时，数码相机正在拍照时，PSP游戏机玩的正起劲时，PDA正在工作时等等，让您感觉很无奈和无助。

移动电源可以解决众多移动设备的电源供给问题，从而彻底解决缺电之苦。

移动电源应运而生。

此时移动电源能解决你的烦恼。

3、移动性
移动电源的移动性是指产品能在移动状态下（例如旅游，开会，充电器不在身边或不方便充电情况下）发挥其功用，即在任何地点、任何时间不受局限地给数码产品供电或充电，真实地给人以踏实感，使生活和工作品质得以提升。

⏹ 2.3移动电源工作原理
储电介质一般采用锂电电芯，因为锂电电芯体积相对小巧，容量大，市场流通广，价格适中，被广泛用于数码产品。

锂电的电压在2.7-4.2V之间，电压随着电量的下降而下降。

而2.7-4.2V的电压是不能直接给其它数码产品充电的，因为数码产品的锂电电压也是2.7-4.2V,同电位的电压之间是不能充电的。

所以移动电源向外输出电能是必须要有升压系统，把2.7-4.2V的锂电电压升压到
5V ，这样就可以给其它数码产品充电了。

当然，移动电源不是一次性设备，它可以反复使用数百次以上。

所以当移动电源电能使用完后，我们必须给移动电源充电。

其原理和给手机充电一样。

连接到5V 的USB 电脑接口或USB 充电器上即可给移动电源充电。

所以移动电源内部还必须有充电管理系统。

充电管理系统能根据锂电的电压，自动调节充电电流。

过程有：预充，恒压充电，和充电等。

图2.1移动电源工作原理示意图
如图2.1所示为移动电源工作原理示意图。

移动电源是由三个部分组成，电芯部分、电路部分（升压系统和充电管理系统）和外壳部分。

下面分别介绍每个组成部分。

2.3.1 移动电源电芯
电芯是移动电源的核心部分，也就是移动电源的电量储存器，其实也是由电池组成。

常用的有聚合物锂电、18650锂电、AAA 镍氢电池。

1. 聚合物锂电池：标准电压3.7 V ，形状较多，可定制，具有容量大，物美价廉，应用广泛，如：手机，MP4，便携音箱。

聚合物锂电池是一种在结构上采用铝塑软包装的锂离子电芯，它比金属外壳的电芯更安全，工作时不会出现高危的安全隐患。

其电量密度高，厚度更小，重量更轻，而容量却很大，很多手机电池也是采用聚合物电芯制成。

其内阻小，甚至低于35mΩ，极大的减少了电池的自耗电，使得电量的利用率更高。

另外，其形状可以定制，根据外壳的外观量身定做，很多外观小巧的移动电源都是采用软包装电芯。

2. 18650锂电：标准电压
3.7V ，具有体积小，容量大，主要用在笔记本电脑等高端产品。

18650是一种钢铝壳电芯，其技术各方面都比较成熟。

18650电芯是直径为18mm ，高度为65mm 的圆柱型电池，其容量通常在 2000-3000mAh 之
电
升压系统 充电管理 5V USB
输出 5V
充电器
间。

市面上大部分移动电源里使用的18650电芯都是采用钴酸锂为正极材料的电芯，其单节标称电压为3.7V，充电电压为4.2V。

这种电芯相较于以前的镍氢、镍镉电池电量容量更大，寿命也更长，充放电的循环次数可达到500次以上，而且安全系数更高，无毒且环保。

3. AAA镍氢电池：标准电压1.2V 。

容量相对较小。

应该广泛，家用电器，玩家的等。

⏹ 2.3.2 升压系统：
升压主流技术基本采用DC to DC 的升压方式。

国内技术转换效率普遍低，一般在50-70%。

台湾的在75-80%。

美国的相对会高些。

也有降压方案的，效率比较高，但对电芯的一致性要求高，所以几乎很少采用。

根据产品转换效率计算电源输出电量：
以5000mAh移动电源为例：实际输出容量=（移动电源容量5000mAh x3.7V x 转化率85%）/5V=3145mAh
⏹ 2.3.3 充电管理系统：
目前国内充电管理系统比较成熟，智能IC监控整个充电过程。

主流管理IC 有PT4056，PX40等。

充电时间5000mA/h 大约8小时。

过快充对电池的寿命有不良影响。

外壳：
1.塑胶壳：一般移动电源均以ABS/PC料为主。

2.金属壳：航空铝外壳等。

⏹ 3 系统硬件电路设计
本方案采用的核心芯片是ZS6366。

⏹ 3.1 ZS6366芯片介绍
ZS6366即是一款应用于移动电源，集成了开关锂电池充电管理、同步升压输出限流、电池电量检测显示、LED手电筒及按键控制为一体的便携式电源管理IC。

ZS6366是以开关方式进行充电，集成了锂电池充电IC的全部功能，包括涓流充电，恒流充电和恒压充电全过程的充电方式。

在性能上，浮充电压精度在全温度范围可达±1%，并且具有充电电流温度低，充电效率高等优点，配合适当的外围器件可以达到2A甚至更高的充电电流。

DC/DC升压功能是它的另一个功能特点，DC-DC升压可达到±1%的精度，可以提供高达90%以上的升压转换
效率，同时具有精确的升压限流功能。

ZS6366 配置了4个LED恒流驱动端口，智能显示电池电量，芯片内置逻辑锁定功能，防止电量指示的状态不稳，同时集成了电池真实电压追踪技术，跟踪电芯内部真实电量，防止充放电造成的电压偏差。

另外，ZS6366具有多重保护设计，包括负载过流保护、短路保护、软启动保护等，同时芯片端口设计了高性能的ESD保护电路，使得该款芯片具有极好的安全性和可靠性。

电池放电在2.9V时关断，有效保护和延长电池充放次数和寿命。

该款芯片在电池供电的情况下，关闭系统后的静态电流低于30uA，大大降低了静态功耗，有效的延长了电池的使用时间。

充电和升压过程中对电池内阻进行了电流跟随补偿，有效的弥补了由于电池内阻造成的电池电量采样有较大误差的问题，使得显示的电量更精确。

在充电状态下，如果输出USB同时接了负载，ZS6366的动态路径调整功能会智能分配输入电流优先提供给负载，如果负载电流增大，则会自动关闭充电，待负载充电电流逐渐减小到一定值时再打开电池充电，有效地限制了输入电流，防止损坏供电的适配器或者USB。

同时也可以通过按键切换充电或放电。

软启动功能避免了启动升压时大电流对开关MOS管的冲击，有效的保护了外围器件。

电池电量显示以及升压电路可通过手动开关灵活控制。

短按手动开关就可以启动升压，如果是电源适配器掉电，芯片系统可自动启动升压系统，无需再按手动开关。

电量显示灯亮起后，8秒钟左右将自动熄灭，如果想提前熄灭电量显示灯，可直接短按开关，灯会马上熄灭。

在升压状态下，长按手动开关两秒钟，马上关闭升压系统。

ZS6366主要特点：外围电路简单;高输入电压10V;待机电流26uA;电池2.9V过放保护;高精度电流采样;软启动功能; LED手电筒功能;涓流/恒流/恒压三段式
充电;充电浮充电压精度±1%;动态路径电流调整功能;输入电源掉电电池自动升压供电;IC单升压效率高达94%;除去前后端限流检测控制电路损耗系统升压效率高达92%;升压限流输出功能;负载过流及短路保护;USB输入过压保护;按键切换充放电功能;空载检测关断功能;精确逻辑控制的四格电量显示;先进的电池真
实电压追踪技术。

ZS6366采用同步降压方式来对锂电池进行充电，此做法的好处是可以将转换效率提升至90%以上，并且能很好地规避线性管理IC的温度高、电流无法做大的问题。

而在充电功能、升压功能及保护功能上都做了非常好的优化，在做
到快速充电的同时，提高了可靠性，降低了成本。

图3.1为基于ZS6366的典型应用方案的系统框图，图3.2为充电过程中的状态转换示意，图3.3是一个典型应用的电路图。

图3.4为ZS6366充放电效率图，图3.5为ZS6366引脚排列图。

图3.1 ZS6366芯片系统框图
图3.2状态转换图
图3.3典型应用电路图
图3.4充放电效率图
图3.5 ZS6366引脚排列图 3.2硬件设计
电路原理图如图3.6所示。

PCB图如图3.7所示。

图3.6电路原理图
图3.7电路PCB图
设计参数：VIN端适配器给内部电池恒流充电电流为1A，系统USB 输出5V，系统USB输出最大电流为1A。

电阻的选择：
RS和RCS的精度影响采样电流的精度，因此推荐使用1%精度的电阻；对
于封装，请根据电阻实际的功率计算，也可以用两个并联的形式分散热量。

例如：RS 在升压时流过电流最大为2A，则它最大功耗是2×2×0.04Ω=0.16WRFB1和RFB2的精度影响输出电压的精度，因此推荐使用1%精度的电阻，如担心虚焊的问题也可考虑RFB1 采样两个电阻并联。

电容的选择：
CBAT，CSYS，COUT电容为大电流的滤波电容，要使用钽电容，ESR 要控制在0.3Ω以内，针对1A系统推荐使用47uF的容值，在成本允许的条件下，增大CSYS 会使系统更加稳定；如果对升压输出纹波要求不高，也可略微减小COUT；如果针对更大电流系统，推荐将电容相应增大。

请不要随意将钽电容改为瓷片电容，在补偿不当情况下会造成环路不稳定。

体积允许情况下可替换成相应或更大容值的电解电容。

任何情况下，选择质量较差的电容都会引起整个系统性能下降甚至无法正常工作，所以请慎重选择电容。

U1(PMOS) ,U2(NMOS)的选择：
对于U1(PMOS)和U2(NMOS)，因为他们工作在开关条件下，要考虑他们的导通电阻和寄生电容，导通电阻小，直流损耗小；寄生电容小，开关损耗小；然而这两个量恰恰是矛盾的，即导通电阻越小，往往寄生电容越大，因此要采取折中的办法选取。

针对1A的系统推荐使用导通电阻约为50mΩ或更小，寄生电容小于600pF的管子。

请慎重选择MOS，因为它之间影响系统的性能和寿命。

U3,U4(PMOS)的选择：
对于U3和U4，因为他们工作在直流条件下，因此只需考虑导通电阻足够小即可，推荐使用导通电阻小于40mΩ 的管子。

电感L1的选择：
对于1A 充电1A升压的系统，推荐使用4.7uH的电感，如果针对更大的电流，如1.5A或2A，可以使用3.3uH 或2.2uH 的电感，注意最高频率尽量控制不要超过1.5MHz。

电感最好使用屏蔽电感，这样会对布板和生产的要求降低。

非屏蔽的电感会产生电磁场，电感绕线的方向会改变磁场的方向，干扰芯片的环路。

如果一定要使用非屏蔽电感，需要SNS和BAT走线尽量远离电感，同时保证电感绕线方向是一致的，如果无法保证，则电感两个方向都要经过一定的实验和试产，以验证板子的可靠性才可进行大批量生产。

升压带载测试：
因为芯片增加了两级短路保护，所以对升压带载测试时有一定要求：如果
USB接大电容负载（某些型号的负载仪电容非常大），有可能误判短路保护，如果一定要用这种情况，可以在SYS到USB+端串接一个5K 左右电阻。

用电压源模拟电池时，各种型号电源的瞬态响应不同，电源线的阻抗也可能比较大，在升压带CC 或CR 负载或者带载启动时，也有可能出现短路保护的情况，带CV负载不会出现这种情况。

实际应用时，由于接的是电池，CC或CR的情况会改善，CV仍然不会有问题。

一般便携设备输入电容都比较小，同时它们会检测输入电压，如果输入电压不够时不会充电，因此表现的是类似CV的特性，所以实际移动电源成品给便携设备充电时不会出现误判短路的情况。

如果确实需要带这种负载，可以接CTR改善带载情况，推荐取值10nF，取100nF 带载效果会更优，但是短路保护效果会变差，建议谨慎使用，更大的取值强烈不推荐。

PCB布板注意事项
大电流回路
大电流回路指开关时走大电流的器件和走线，在此系统中由U1~U4，L1，RS，RCS，CBAT，CSYS，COUT及他们之间的连线构成，他们的布线要尽量宽和短，高频开关（电流不连续）通路千万不能过通孔，及CBAT，CSYS，U1，U2，L1，RS 必须在PCB的同一面，且要放在一起。

SYS和PGND
ZS6366的SYS 和PGND引脚分别是芯片驱动部分的电源和地，在开关工作时会有瞬间大电流流入和流出，因此布板时CSYS 要尽量靠近芯片的SYS和PGND，SYS和PGND 分别单独抽头引线到CSYS的正端和负端，中间不能穿过大电流回路，布线尽量宽和短，尽量不要过通孔。

AGND
ZS6366 的AGND 是芯片及系统的模拟地，小信号部分都要引到这个地，如：CTAP/CVDL/RFB2的负端，之后模拟地要单独引线到CSYS 的负端，中间不能穿过大电流回路。

AGND要远离高频信号线，如PGATE，NGATE，SW等。

SNS和BAT
SNS 和BAT采样充电电流，要从RS正负端单独引线并行到芯片，中间不能引线到其它部分。

SNS 和BAT 要远离高频信号线或通过地线隔离，如PGATE，NGATE，SW 等。

CS和CSN
CS和CSN采样负载电流，要从RCS 单独引线，具体与SNS 和BAT 同理。

CLM和CSREF
CLM和CSREF是模拟弱信号，要远离高频信号。

其它说明
（1）RFB1正端要从COUT 正端节点引出
（2）RLED 正端要从CSYS正端节点引出
（3）RFB1，RFB2，RVDL，CVDL，R4，CRCS，要靠近芯片
（4）RGND 靠近CSYS负端
（5）R3靠近RCS 负端
（6）芯片整体部分以模拟信号为主，因此尽量远离开关节点，若无法远离，请以地线隔离为佳
⏹ 4 电路总结
⏹ 4.1充电管理
（1）充电功能
ZS6366用开关方式对电池进行涓流/恒流/恒压三段式充电。

当电池电压低于3V 时进行涓流充电；当电池电压高于3V时进行恒流充电；当电池电压接近4.2V时进行恒压充电，此时充电电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的1/10 时，4 个LED 灯全部常亮，指示电池已经充饱。

充饱时，芯片可选择电流进一步减小到零，维持浮充电压；或者终止充电，等待电池电压降低到一定电压(V RECHG)时进行复充(Recharge)。

（2）充电电流设定
对电池充电的电流大小由芯片的SNS引脚和BAT引脚之间的采样电阻RS 来设定。

恒流充电电流I Charge由下式决定：
涓流充电电流为I Charge的1/8，充饱判断电流为I Charge的1/10。

（3）充电软启动功能当电池直接进入恒流充电时，ZS6366 会控制充电电流逐渐增大到设定值，避免了瞬间大电流冲击引起的各种问题。

（4）动态路径调整功能
ZS6366具有动态路径调整功能，保证了USB端负载的优先供电。

如果充电过程中，输出USB同时带有负载，ZS6366 会控制系统给电池充电同时供电给负载；如果VCCS>3.7mV，ZS6366会控制系统优先供电给负载，同时逐渐减。