ChipON第三代数字移动电源引领技术变革

1万 · 2022-9-5 15:24

KF8V218数字移动电源芯片

一、移动电源简介

移动电源的品质主要取决于电芯和保护板两方面，芯旺微电子推出的数字移动电源控制方案，它能对移动电源提供管理和监控功能，并延伸到对整个回路的控制。

数字电源就是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品。与传统的模拟电源相比，数字电源系统具有十分优异的性能、很高的智能化水平和可靠性、很强的灵活性。

在第二代数字移动电源芯片KF8F213推出的两年后，ChipON推出了更高性能的第三代数字移动电源芯片KF8V218。

KF8V218除了继承了第二代芯片KF8F213的优点外，我们在转换效率、输出功率、待机功耗、小电流关机精度上做出了重大突破。1A输出转换效率最高在95.5%以上，4A输出转换效率最高在90.5%以上，最大输出20W功率填补了目前市场上的空白。整机静态待机功耗＜7μA，小电流关机可以做到50±20mA。

1万 · 2022-9-5 15:25

二、数字电源方案的优点与缺点

2.1 数字电源的优点

（1）很强的适应性与灵活性，具备直接监视、处理并适应系统条件的能力，能够满足几乎任何电源要求。

（2）远程诊断以确保持续的系统可靠性，实现故障管理、过电压（流）保护、自动冗余等功能。

（3）自动诊断、调节的能力使调试和维护工作变得轻松。

（4）在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联功能。

（5）不存在模拟电源中常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐、可靠性好，可以获得一致、稳定的控制参数。

（6）更易于实现非线性控制（可改善电源的瞬态响应能力）和多环路控制等高级控制算法；更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法，更改电源参数也无须变更改线路板上的元器件。

2.2 数字电源的缺点

（1）对负载的变化需要一个采样、量化和处理的过程来做出反馈，负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。

（2）PCB板面积要大于模拟电源。

（3）数字电源技术复杂，设计、开发成本高。

1万 · 2022-9-5 15:25

三、 KF8V218数字移动电源方案介绍

KF8V218是上海芯旺微电子推出的高性能第三代数字移动电源芯片。芯片为带Flash 的单片机MCU，内核采用哈佛架构，16位RISC指令集。其内部自带精度32M±1%的RC时钟，专用复位电路，1路增强型带死区控制16位PWM，高精度LDO（1.7V）和多路12位AD采样转换模块，内部集成了运算放大器和模拟比较器，丰富的可配置为输入/输出、数字/模拟的I/O口，是一款高集成度的数模混合信号专用MCU。

系统采用KF8V218实现高效的数字移动电源控制方案。系统框图如图1所示。通过增强性PWM实现带同步续流的BOOST升压控制，利用内部自带运放和AD采样实现PI闭环控制，适应负载的变化。利用P4B和同步续流MOSFET实现三段式充电管理。数字、模拟I/O实现HMI人机交互，实现控制、管理和监测功能。

3.1 带同步续流控制的Boost升压变换电路

和典型的Boost电路相比，多了一个可控P型MOSFET Q1，实现同步续流功能，从而获得比较高的效率。通过KF8V218 内部自带死区控制16位PWM，配置为半桥带死区控制，输出P4A和P4B PWM信号,控制MOSFET Q1、Q2互补导通，死区防止共态导通。

当N型MOS Q2处于通态时，Q1断开，电感L积蓄能量。当Q2断开时，Q1延时62.5ns导通，L释放能量，通过L储能后的电压泵升和电容C的储能作用，使电源输出电压VCC保持稳定。在这个过程中存在一个同步续流过程，提高了能量的转换效率。当Q2断开时，由于MOS管存在关断响应，Q1延时62.5ns打开，防止Q1、Q2瞬间短路，这时电感L的能量释放通过肖特基二极管D实现，当Q1打开后，能量释放通过Q1实现，减少了能量在D上的损耗，提高了转换效率。

由于输入电压一般为锂电池，负载为智能电子设备，输入电压随着使用时间不断变低（4.2~3.0V），负载电流随着不同智能设备和设备充电时间不断的变化（30mA~2A），为了达到稳定的电源输出电压VCC，必须引入闭环反馈，控制PWM的占空比和周期。输出电压通过VDD采样KF8V218内部自带LDO和12位AD反推获得AD-V，负载电流通过20毫欧电阻转换为毫伏电压后，通过内部自带12位高精度AD获得OUTI，通过PI闭环控制调节PWM，获得稳定的电源输出电压VCC。

3.2 三段式充电管理

如上图2所示，由于KF8V218内部自带增强型12位PWM，P4A可以配置为I/O口低电平输出，P4B配置为PWM输出，移动电源充电部分只需再增加一个隔离二极管到电源输出VCC即可。当KF8V218 I/O通过电阻分压检测到充电设备输入时，通过Q1、L给电池充电。利用AD通过ADVRIN采样LD0反推获得电池电压B-V，通过40毫欧电阻（或锂电保护MOS内阻）利用AD采样到电池充电电流B-C，实现闭环控制调节P4B PWM占空比，实现三段式充电控制。移动电源所配电芯容量不同，通过软件控制可以自带识别充电设配器容量，恒流充电阶段电流可以自动调节。

3.3 监测与控制

KF8V218 MCU含有丰富的可以设置为输入/输出、数字/模拟I/O口，外围配置极少的电阻、电容就可以实现电量检测及LED指示，手电功能和按键功能，及其他一些辅助功能，如温度检测、数字显示、声音报警等，实现监控功能及故障检测功能。

1万 · 2022-9-5 15:26

四、 KF8V218数字移动电源的优势

KF8V218 数字移动电源除了具有数字电源共有的优点外，同时还很好的解决了数字电源的常见缺点。

4.1  KF8V218内部自带主频可以达到32M，16位PWM频率可以达到400K，内部12位AD采样速率可以打到400KSPS，很好的解决了采样、量化和处理的过程，能够快速动态的响应负载的变化。

4.2  MCU实现充电、放电、显示、管理功能，自带内部晶振、LDO、12位高精度AD，降低了PCB板面积，同时也降低了整个系统的BOM成本。见表1所示Bill Of Material。

4.3  采用同步续流控制，在轻载、重载下实现PFM/PWM算法的负载自适应性，有效的克服了数字电源效率低于模拟电源的效率，做到了比模拟电源还要高的效率，最高可以达到95.5%以上。见图3所示KF8V218数字移动电源转换效率曲线图。

4.4  填补了目前市场上输出功率大于15W以上的空白，目前我们最大可以做到输出功率20W。

4.5  极低的输出纹波。1A输出的低频纹波75mV，高频纹波50.75，2A输出的低频纹波92mV，高频纹波62.5mV。见图4、图5所示。

4.6 提供详细的DEMO及应用笔记，程序主要算法库函数化，根据说明选择不同的参数配置，实现不同的功能需求，易学易用，开发周期短。

1万 · 2022-9-5 15:27

1A输出低频纹波 75mV

1A输出高频纹波 50.75mV

2A输出低频纹波 92mV

2A输出高频纹波 62.5mV

1万 · 2022-9-5 15:27

五、方案总结

通过描述，我们不难看出，KF8V218数字移动电源既具有数字电源的优点，又很好的解决了数字电源的常见缺点。主要如下：

5.1 工业级单片SOC系统，BOM成本低。

5.2  待机静态功耗<7μA。

5.3  性能的提高：

a)效率提高，1A最高95.5%以上，2A最高92.5%以上，3A最高92.5%以上，4 A最高90.5%以上。

b)软容量比高，10000mAh达到70%以上。

5.4 大功率输出，输出功率可以达到20W。

5.5 可扩展性：

a)不同充电电流的选择；

b)升压/降压模式的选择；

c)PFM/PWM算法负载自适应性。

5.6 灵活控制：

a)灵活的人机接口(HMI) ；

b)针对不同终端的适应性。

5.7  软件智能保护：过冲、过放，过电流、短路保护。

5.8  算法库函数化，易学、易用，开发周期短。

只看该作者 · 2022-9-7 10:56

这种电源感觉还是停靠的

ChipON第三代数字移动电源引领技术变革

技术新星奖章

常驻人口

涓涓之细流