【導讀】感謝芯海科技工程師賴工的投稿！本方案采用芯海自主研發的OTP單片機CSU8RP3427作為系統主控芯片管理整機充電和放電全過程。由于主控芯片具有基準電壓校正功能，可保障批量生產時的一致性。相對傳統的分立方案和硬件三合一方案，該方案兼顧了效率高、發熱低、成本低等需求。
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移動電源三合一同步整流方案背景
近年來，數碼產品機型越來越小巧輕薄，顯示屏越來越大，功能越來越多，也就是說，耗電量越來越大，然而電池卻越做越小。一個移動電源可解決手機、數碼相機、數碼攝像機等眾多數碼產品的多次充電，特別在野外斷電的情況下即可為數碼產品續航！
目前移動電源市場的競爭非常激烈。品牌產品上不斷在外觀和推廣手段上進行創新，銷售業績屢創新高。低端市場，則在前面一年的亂戰后，在最近的半年時間完成了一輪大洗牌，沒有規模及成本優勢的方案商和小廠被淘汰。一部分有實力的廠家成為品牌廠商的OEM或者ODM廠。
從天貓銷量數據分析來看，移動電源芯片市場上主要有五大流派。市場總量約為15KK/月~20KK/月。市場份額占比分別是：傳統分立的占50%左右，軟件三合一 30%，硬件三合一15%，其他單DC-DC加充電管理等占5%，其中前兩種主要針對中高端市場，性能穩定，效率較高。而硬件三合一的外圍器件雖少，但發熱比較嚴重。
由于軟件三合一在綜合性價比上占有優勢，也可以給硬件工程師帶來方便，成為主流是必然趨勢。
移動電源三合一同步整流方案
本方案采用芯海自主研發的OTP單片機CSU8RP3427作為系統主控芯片管理整機充電和放電全過程。方案具有效率高，紋波小、系統安全性、穩定性高的特點，由于主控芯片具有基準電壓校正功能，可保障批量生產時的一致性。相對傳統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顧了效率高、發熱低、成本低等需求。
方案硬件框圖
關于主芯片CSU8RP3427
8位RISC架構、帶12-bit ADC的高性能單片機。該款芯片具有4K*16位程序存儲器、256 Byte SRAM，8級PC存儲堆棧。內部32MHz高速晶振、12位PWM，為高速開關控制提供極大的便利。芯片外圍配置簡單，內部自帶放大器、比較器、溫度傳感器和5個內部AD參考電壓，可節約電路成本。該款單片機擁有卓越的驅動能力，在5V環境下最高可達40mA。此外，其VDD過壓自檢功能能夠實現更加快速的過壓保護響應，4*5 LCD驅動功能令電路更加簡潔，穩定。此兩款芯片非常適合移動電源、小家電領域的設計。
移動電源三合一同步整流方案特點：
輸入5V/1A；輸出5V/2.1A
自動負載檢測，充電USB插入檢測功能
具有邊充邊放功能
具有過流降壓功能
具有雙口單獨限流功能
2A輸出紋波小于100mV
保護機制：過放保護，過充保護，短路保護
按鍵，電量顯示，照明燈等功能可定制
系統靜態功耗小于20uA
充電性能：
輸入電壓5V/1A
恒流：電池電壓≥3.0V時：800mA±50mA
恒壓：4.2V±1%
判斷飽和條件：電壓≥4.2且電流≤90mA
放電性能：
帶載輸出電流：5V/2.1A
放電效率：3.7V@1A平均效率≥87%，3.7V@2A平均效率≥85%
過流保護：USB≥2.3A過流保護
輸出紋波：3.7V@2A紋波小于100mV
輸出截止電流：50mA±30mA
LED燈顯示：
電壓＜3.0V，關機
3.30V＜電壓＜3.45V，LED1閃爍
3.45V＜電壓＜3.65V，LED1常亮,LED2閃爍
3.65V＜電壓＜3.85V，LED1,LED2常亮,LED3閃爍
3.85V＜電壓，LED1,LED2,LED3常亮，LED4閃爍
按鍵：
輸出休眠模式之下，短按按鍵，顯示當前電量5秒后LED關閉；同時輸出打開，如無負載，8秒之后關閉輸出。
連續兩次短按按鍵，照明燈亮，再連續兩次短按按鍵，照明燈滅。
電池保護板：
過充保護電壓：4.2V±50mV
過放保護電壓：3.0V±50mV
功耗：
整機靜態功耗：≤20uA
方案設計難點：
（1）紋波要求
紋波是移動電源的重要指標，如果紋波太大，對手機充電會造成比較大的影響，甚至會損壞手機。所以對于移動電源來說，紋波做得越小越好。
移動電源的紋波跟PWM的速度息息相關，PWM速度越快，相對紋波可以做得越小。芯海自主研發的CSU8RP3427是專門針對移動電源而開發的芯片，PWM速度可以達到32MHZ，對紋波性能的提高起到比較好的作用。
本方案采用的是兩個47uF的陶片電容并聯，USB口端接2.2uF的陶片電容，3.7V@2A的紋波最小可以達到90mV
（2）效率要求
放電效率也是移動電源的重要指標，如果放電效率提不上去，功能做得再好對于移動電源來說都是毫無意義的。
進行PCB布板時，通過大電流的充電線路和放電線路，器件盡量靠近一些，線盡量短、粗（盡量達到2.4mm以上），盡量在同一層。如果由于板子所限，也要優先考慮這些網絡線路，因為關乎整個系統的電能轉化效率。
系統里面有幾個發熱元器件：電感（L1）、二極管(SS34)、8205、、DW01，主控IC應該盡量遠離發熱源，電感背面盡量不要擺放有源器件、鋪銅。
本方案采用的是同步整流的方式進行放電管理，對整體效率的提高起到比較好的作用。3.7V@1A平均效率≥87%，3.7V@2A平均效率≥85%
（3）最小放電電流要求
市場上的移動電源對于最小放電電流要求在50mA±30mA，如果采用 0.05Ω的采樣電阻，對應的就是2.5mV的電壓點。如果MCU的ADC精度達不到要求或者性能不穩定，對于最小電流的采集將是一個比較大的難題。
CSU8RP3427自帶的SAR_ADC精度可以達到12位，完全可以滿足小電流采集的要求，而且還帶有自校正的內部參考電壓功能，內部參考電壓精度可以精確到1%以內，也對批量生產的一致性起到比較好的保障作用。
本方案采用CSU8RP3427作為主控芯片，最小電流可以做到50mA±30mA，而且一致性比較好。
Demo板實拍圖
正面：
背面
BOM 清單
芯海科技其他可選方案：
移動電源方案：芯海科技目前有CSU8RP3119 /CSU8RF3421 /CSU8RF3422 /CSU8RF3423 / CSU8RP3427 /CSU8RP3429等全系列芯片，用于移動電源三合一同步整流方案，其中CSU8RP3422和CSU8RF3423可用于驅動LCD的移動電源三合 一方案。 另有CSU8RP3116可用于傳統分立方案，也是和SN8P2711 pin to pin的，有不錯的性價比優勢。
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開發者簡介
賴工，畢業于華南農業大學電子科學與技術專業，從事高精度測量領域，小家電產品開發多年。擁有多項軟件設計著作權，并且成功開發出二十萬點以上高精度天平，酒精測試儀，感應卡鎖等方案也得到了業界的認可。目前主要專注于移動電源標準方案研發和設計。 2013年曾經在《工業控制計算機》雜志社發表《基于單片機的自動投切開關電源設計》論文并取得比較好的反響。
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