我爱方案秀：软件三合一同步整流移动电源方案

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移动电源三合一同步整流方案背景

近年来，数码产品机型越来越小巧轻薄，显示屏越来越大，功能越来越多，也就是说，耗电量越来越大，然而电池却越做越小。一个移动电源可解决手机、数码相机、数码摄像机等众多数码产品的多次充电，特别在野外断电的情况下即可为数码产品续航！

目前移动电源市场的竞争非常激烈。品牌产品上不断在外观和推广手段上进行创新，销售业绩屡创新高。低端市场，则在前面一年的乱战后，在最近的半年时间完成了一轮大洗牌，没有规模及成本优势的方案商和小厂被淘汰。一部分有实力的厂家成为品牌厂商的OEM或者ODM厂。

从天猫销量数据分析来看，移动电源芯片市场上主要有五大流派。市场总量约为15KK/月~20KK/月。市场份额占比分别是：传统分立的占50%左右，软件三合一 30%，硬件三合一15%，其他单DC-DC加充电管理等占5%，其中前两种主要针对中高端市场，性能稳定，效率较高。而硬件三合一的外围器件虽少，但发热比较严重。

由于软件三合一在综合性价比上占有优势，也可以给硬件工程师带来方便，成为主流是必然趋势。

移动电源三合一同步整流方案

本方案采用芯海自主研发的OTP单片机CSU8RP3427作为系统主控芯片管理整机充电和放电全过程。方案具有效率高，纹波小、系统安全性、稳定性高的特点，由于主控芯片具有基准电压校正功能，可保障批量生产时的一致性。相对传统的分立方案和硬件三合一方案，芯海同步整流三合一方案兼顾了效率高、发热低、成本低等需求。

方案硬件框图


关于主芯片CSU8RP3427



8位RISC架构、带12-bit ADC的高性能单片机。该款芯片具有4K*16位程序存储器、256 Byte SRAM，8级PC存储堆栈。内部32MHz高速晶振、12位PWM，为高速开关控制提供极大的便利。芯片外围配置简单，内部自带放大器、比较器、温度传感器和5个内部AD参考电压，可节约电路成本。该款单片机拥有卓越的驱动能力，在5V环境下最高可达40mA。此外，其VDD过压自检功能能够实现更加快速的过压保护响应，4*5 LCD驱动功能令电路更加简洁，稳定。此两款芯片非常适合移动电源、小家电领域的设计。


移动电源三合一同步整流方案特点：

输入5V/1A；输出5V/2.1A
自动负载检测，充电USB插入检测功能
具有边充边放功能
具有过流降压功能
具有双口单独限流功能
2A输出纹波小于100mV
保护机制：过放保护，过充保护，短路保护
按键，电量显示，照明灯等功能可定制
系统静态功耗小于20uA

充电性能：

输入电压5V/1A
恒流：电池电压≥3.0V时：800mA±50mA
恒压：4.2V±1%
判断饱和条件：电压≥4.2且电流≤90mA

放电性能：

带载输出电流：5V/2.1A
放电效率：3.7V@1A平均效率≥87%，3.7V@2A平均效率≥85%
过流保护：USB≥2.3A过流保护
输出纹波：3.7V@2A纹波小于100mV
输出截止电流：50mA±30mA

LED灯显示：

电压＜3.0V，关机
3.30V＜电压＜3.45V，LED1闪烁
3.45V＜电压＜3.65V，LED1常亮,LED2闪烁
3.65V＜电压＜3.85V，LED1,LED2常亮,LED3闪烁
3.85V＜电压，LED1,LED2,LED3常亮，LED4闪烁

按键：

输出休眠模式之下，短按按键，显示当前电量5秒后LED关闭；同时输出打开，如无负载，8秒之后关闭输出。
连续两次短按按键，照明灯亮，再连续两次短按按键，照明灯灭。

电池保护板：

过充保护电压：4.2V±50mV
过放保护电压：3.0V±50mV

功耗：

整机静态功耗：≤20uA

方案设计难点：

（1）纹波要求

纹波是移动电源的重要指标，如果纹波太大，对手机充电会造成比较大的影响，甚至会损坏手机。所以对于移动电源来说，纹波做得越小越好。

移动电源的纹波跟PWM的速度息息相关，PWM速度越快，相对纹波可以做得越小。芯海自主研发的CSU8RP3427是专门针对移动电源而开发的芯片，PWM速度可以达到32MHZ，对纹波性能的提高起到比较好的作用。

本方案采用的是两个47uF的陶片电容并联，USB口端接2.2uF的陶片电容，3.7V@2A的纹波最小可以达到90mV

（2）效率要求

放电效率也是移动电源的重要指标，如果放电效率提不上去，功能做得再好对于移动电源来说都是毫无意义的。

进行PCB布板时，通过大电流的充电线路和放电线路，器件尽量靠近一些，线尽量短、粗（尽量达到2.4mm以上），尽量在同一层。如果由于板子所限，也要优先考虑这些网络线路，因为关乎整个系统的电能转化效率。

系统里面有几个发热元器件：电感（L1）、二极管(SS34)、8205、、DW01，主控IC应该尽量远离发热源，电感背面尽量不要摆放有源器件、铺铜。

本方案采用的是同步整流的方式进行放电管理，对整体效率的提高起到比较好的作用。3.7V@1A平均效率≥87%，3.7V@2A平均效率≥85%

（3）最小放电电流要求

市场上的移动电源对于最小放电电流要求在50mA±30mA，如果采用 0.05Ω的采样电阻，对应的就是2.5mV的电压点。如果MCU的ADC精度达不到要求或者性能不稳定，对于最小电流的采集将是一个比较大的难题。

CSU8RP3427自带的SAR_ADC精度可以达到12位，完全可以满足小电流采集的要求，而且还带有自校正的内部参考电压功能，内部参考电压精度可以精确到1%以内，也对批量生产的一致性起到比较好的保障作用。

本方案采用CSU8RP3427作为主控芯片，最小电流可以做到50mA±30mA，而且一致性比较好。 Demo板实拍图

正面：

背面

BOM 清单


芯海科技其他可选方案：

移动电源方案：芯海科技目前有CSU8RP3119 /CSU8RF3421 /CSU8RF3422 /CSU8RF3423 / CSU8RP3427 /CSU8RP3429等全系列芯片，用于移动电源三合一同步整流方案，其中CSU8RP3422和CSU8RF3423可用于驱动LCD的移动电源三合 一方案。 另有CSU8RP3116可用于传统分立方案，也是和SN8P2711 pin to pin的，有不错的性价比优势。

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开发者简介

赖工，毕业于华南农业大学电子科学与技术专业，从事高精度测量领域，小家电产品开发多年。拥有多项软件设计著作权，并且成功开发出二十万点以上高精度天平，酒精测试仪，感应卡锁等方案也得到了业界的认可。目前主要专注于移动电源标准方案研发和设计。 2013年曾经在《工业控制计算机》杂志社发表《基于单片机的自动投切开关电源设计》论文并取得比较好的反响。

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