摘要
便携式设备的性能提升与其电池尺寸和容量限制之间一直纠结不清，作为便携式设备的辅助设备，移动电源多年来一直被广泛使用。一款优秀的移动电源应具备小巧的外形、高可靠性、高功率转换效率以及强大的手机兼容性等特点。本应用说明介绍了一种基于MP2696A的高集成度移动电源设计，并针对该快速、一站式的解决方案给出了设计指南。
概述
MP2696A是一款灵活的电池充电和反向放电 IC，适用于单节电池应用。它专为高性能移动电源而设计，不仅配备了所有必要功能，而且最大限度减少了外部元件数量，具备高集成度。该器件具有高度软件可编程性，搭配简单、低成本的微控制器 (MCU)，可轻松设计并快速交付尺寸紧凑但功能齐全的移动电源。
如图 1 所示， MP2696A集成了 4 个功率 MOSFET：反向阻断 MOSFET（Q1）、输出阻断 MOSFET（Q2）、上管开关 MOSFET（Q3）和下管开关 MOSFET（Q4）。该器件采用 MPS 专有的制造和封装工艺，能够以3mm x 3mm 的紧凑封装实现卓越的转换效率。此外，集成的MOSFET 均具有高达16V的额定电压，在5V USB 应用中能够实现出色的可靠性。MP2696A 采用单电感即可实现在降压或升压变换器模式下工作，以控制电池充电和放电，同时还提供丰富的保护功能管理输入和输出端口的功率输送。
图1： MP2696A简化应用电路
操作模式说明
MP2696A提供4种操作模式：
1. 空闲模式。器件在该模式下处于节能模式，所有 4 个 MOSFET 均关断， 但VCC稳压器处于工作状态， I2C通信也随时可接收来自主机的命令。在此状态下，电池电流消耗也降至最低25µA（典型值） ，从而最大限度地降低了电池在储存或货架期间的放电电流。
2. 充电模式。在此模式下，器件通过输入电源（通常为USB 端口）为电池充电，MOSFET Q1导通，开关 MOSFET Q3和Q4作为降压变换器为电池充电。根据电池电压，可处于预充电、恒流充电或恒压充电等不同充电阶段。充电电流和电池调节电压均可在寄存器中编程设置。当电池充满电后，器件即进入充电截止模式，此时降压稳压器停止工作，MOSFET Q1仍保持导通。
在充电模式下，降压变换器有四个调节环路：充电电流、充电电压、输入电流和输入电压。任何一个环路都可以限制降压变换器向电池输出的功率，以使输出最大功率不超过设计值。
3. 升压模式。在该模式下，器件利用电池电量产生5V（典型值）输出，MOSFET Q1关断，开关MOSFET Q3和Q4作为升压变换器工作，在PMID引脚上输出稳定电压，随后输出阻断MOSFET（Q2）将PMID功率传输至SYS引脚。SYS引脚是器件的电源输出端口，同时也是移动电源的电源输出端口。
在升压模式下，升压变换器有两个调节环路：PMID节点输出电压和 MOSFET Q2的输出电流。任何一个环路都可以限制升压变换器的输出功率，从而使移动电源拥有恒压/恒流 (CV/CC) 输出端口。输出电压和最大输出电流均可通过寄存器编程设置。
4. 直通模式。当接入输入源并为电池充电时，如果主机导通了MOSFET Q2 ，则器件还可以通过SYS 端口输出功率。SYS 功率通过串联的Q1和Q2从输入源输出。此应用案例适用于同时为移动电源和手机充电的用户。
在直通模式下，电池充电电流和 SYS 端口的负载电流共享输入源功率。由于 SYS 端口的负载电流取决于手机的取电需求，因此 SYS 输出被优先保障。这意味着，在器件输入电流环路和输入电压环路限制了输入源能够提供的最大功率的前提下，触及任一环路的限值，电池充电电流都会变弱。注意，MOSFET Q1或 MOSFET Q2不提供调节功能；如果 SYS 端口负载超过输入电流限制，电池充电电流将降至零，而Q1和Q2仍保持导通。
保护功能
1. 输入过压保护：该器件支持两级输入过压保护。默认保护阈值为6V ，可通过REG07h[3] 设置为11V 。一旦输入电压高于保护阈值，则器件停止开关。对于正常的 USB 输入操作， 6V OVP 阈值已经可以提供卓越的可靠性。当输入OVP设置为11V时，器件可以用更高电压的输入源（例如9V适配器）进行充电，充电电流更大。注意，即使输入OVP设置为11V ，当输入电压高于6V时， MOSFET Q2仍会自动禁用。这样可防止器件向 SYS 端口输送可能对 SYS 端口负载造成危险的高电压。
2. SYS 端口短路保护：在升压放电或直通模式下，SYS 端口输出功率。为防止SYS 端口发生硬短路造成器件损坏，只要 MOSFET Q2处于导通状态，快速短路保护功能就会始终处于激活状态。快速短路保护阈值设置为较高的8A 。当 MOSFET Q2中的电流达到该阈值时，MOSFET Q2会立即关断。经过300ms 的打嗝时间后，MOSFET Q2再尝试重新启动。
功能与设计
利用MPPT最大限度提高充电速度
移动电源的输入源通常为 USB 端口。市场已有的USB 端口规格很多。根据电池充电规范修订版 1.2 ( BC1.2 )、USB Type-C 规范或部分供应商的专有规范，这些USB 端口提供不同级别的最大输出电流。其起始电压始终为5V （典型值），但根据容量不同提供不同的输出电流限制。在MP2696A参考设计中，我们采用了一种更便捷的方法，即最大功率点跟踪 ( MPPT )，来最大限度地提高电池充电速度。
MPPT方法采用MCU控制，具体描述如下：
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主机预设ICC 电流为500mA ， IIN_LIM 为3000mA ， VIN_MIN 为4.65V 。
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当接入输入源时， USB1_PLUG_IN （ REG05h[1]）通过中断（INT）信号被置为 1，充电自动开始。
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如果CHG_STAT =10（ REG05h[5:4]），主机尝试以每秒100mA 的速度增加 ICC 。
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如果输入源降至VIN_MIN阈值， VPPM_STAT （ REG05h[3]）将通过 INT 置为 1。主机可持续读取REG05h来监控状态。
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主机以每125ms降低100mA的速度降低ICC，直到VPPM_STAT （ REG05h[3]）变回 0，然后器件继续以该 ICC 值对电池充电。
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主机每10秒重复第3-5步
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无论何时，如果输入源被断开（ USB1_PLUG_IN =0， REG05h[1]），或者充电截止（ CHG_STAT =11， REG05h[5:4]），主机都会将 ICC 重置为500mA 。
通过上述方法，移动电源始终汲取输入源能提供的最大功率。最大输入电流不会超过IIN_LIM寄存器中设置的3A ，从而确保了 USB 插座、插头和线缆的安全。而且，无需复杂的协议设计，即可在各种 USB 端口之间实现良好兼容性。
电池热管理
在各种可充电电池中，锂离子电池具有较高的体积与重量能量密度，而且自放电率低，瞬间放电能力强。但作为一种化学成分元件，温度对电池的安全运行至关重要，尤其是在充电过程中。在移动电源设计中，应绝对避免锂离子电池因热失控而导致的起火或爆炸。为了妥善管理与热相关的安全问题，业界已有相关的行业标准，例如日本电子信息技术产业协会 ( JEITA ) 指南。
如果电池表面温度低于COOL阈值（例如10°C ），高充电电流就可能导致锂离子永久性流失，并加速电池性能下降。因此，建议在此温度范围内降低充电电流。如果温度进一步降至COLD阈值（例如0°C ）以下，则不应再进行充电，如图 2 所示。
如果电池表面温度高于WARM阈值（例如45°C ），正极材料会变得更加活跃，并在电池电压较高时与电解液发生化学反应，这也会降低电池性能。建议在此温度范围内降低充电电压。如果温度进一步上升至HOT阈值（例如60°C ）以上，则应停止充电，以防止电池热失控，如图 3 所示。
图 2： JEITA曲线 – 充电电流
图 3： JEITA曲线 – 充电电压
MP2696A提供全定制的JEITA配置文件。电池温度可由VRNTC输出驱动的热敏电阻检测。当器件处于开关状态时， VRNTC输出电压通过电阻分压器偏置热敏电阻。NTC引脚电压与内部阈值进行比较，以检测电池温度。当温度超出 HOT 或 COLD 阈值，器件可自动停止充电，或者根据COOL 或 WARM 范围的寄存器设置降低充电电流或充电电压。NTC功能可通过 EN_NTC（REG01h[2]）启用或禁用， JEITA功能通过JEITA_DIS（REG02h [3]）启用或禁用， JEITA温度阈值和充电电流/电压的降低幅度可以通过REG08h来调节。
输出端口开/关控制
SYS 输出用做 USB 输出端口，为手机等外部负载供电。当连接至手机时，USB 输出端口应开始输出5V 电压；但在没有连接任何设备时，升压变换器和 USB 输出端口应处于关闭状态，以尽量减少移动电源空闲模式下的电池放电。MP2696A集成了负载检测功能，可在主机干预的条件下管理这些功能。
在空闲模式下，当寄存器位USB2_EN_PLUG （ REG04h[1]）处于使能状态时，在 BATT 引脚和 SYS 引脚之间连接一个电阻（1.5kΩ典型值）。该电阻可将 SYS 引脚电容充电至与电池电压相同。由于 SYS 节点上无负载，因此 SYS 浮空电压不消耗电池电流。当 SYS 引脚电压充电至电池电压的 90% 后，将启用 75% 电池电压的比较器。此时， MP2696A已准备好检测 SYS 负载插入事件。
当手机等负载连接到 SYS USB 端口时，SYS 节点的浮空电压会因负载电流消耗或负载输入电容而被拉低。这将触发 75% 比较器。MP2696A可以检测到此情况，并将USB2_PLUG_IN（REG04h[0]）置为 1，随后 INT 引脚发出中断脉冲。主机响应中断，读取REG04h并获知此事件，然后导通升压和 MOSFET Q2 ，以启用 SYS 电源输出。
一旦设置好，无论 75% 比较器状态如何， USB2_PLUG_IN位都将保持为 1，主机需要向该位写入 1 才能将其清为 0。
主机启用升压和 MOSFET Q2后，还应将0写入USB2_EN_PLUG位以禁用检测和 BATT-SYS 电阻；这样，MP2696A才能持续提供 SYS 输出。
只要电池电量未耗尽，SYS 端口就会始终保持输出。但如果未连接负载或未消耗电量，移动电源就需要返回空闲模式以节省电池电流消耗。MP2696A集成了一个空载检测比较器来实现该功能。
当MOSFET Q2导通时，其输出电流将受到持续监控，并与NOLOAD_THR寄存器（ REG07h[7:6]）中设置的阈值（30mA至100mA）进行比较。若Q2电流小于比较器设定值，则NO_LOAD位（ REG03h [0]）将置为 1，并在 INT 引脚上产生中断脉冲。主机可以通过读取REG03h来确认该状态。若空载条件存在，主机可启用定时器。当空载情况持续一段时间（例如 20 秒），主机可关断升压和 MOSFET Q2 ，进入空闲和节能模式。
进入空闲模式后，主机可通过重新使能USB2_EN_PLUG来激活下一次插入事件检测。
在充电模式下也可激活SYS 负载插入检测功能。主机可以获取 SYS 插入事件信息，并导通升压电路和 MOSFET Q2 。注意，如果在连接输入源的情况下使能升压电路（ BST_EN =1），则MP2696A将持续工作在充电模式下，而忽略升压。在这种情况下，器件将工作在直通模式下，电池被充电，SYS 端口电压由输入源提供。
只有当输入源电压断开且IN引脚电压降至2V以下时，如果BST_EN =1，升压才能自动启动。
注意，断开输入源时，SYS 输出电压将有几十毫秒的下降；MP2696A不支持充电模式和升压模式之间的无缝过渡。
输出信号传递
作为 USB 的输出端口，SYS 输出可以为手机等外部负载供电。手机通常通过通信协议来识别 USB 端口的类型及输出能力，从而确定其功耗上限。例如，手机可以区分计算机 USB 端口 (SDP) 和专用充电端口 ( DCP )，并据此设置输入电流限制。MP2696A通过在 DP/DM 引脚上集成输出信号传递功能，模拟适当的 USB 端口特性，从而最大限度地提高负载充电速度。
当主机使能SYS 输出后，DP/DM 引脚会分别通过30kΩ 电阻连接到内部2.7V输出缓冲器。这种配置可模拟苹果2.4A适配器的特征；当接入苹果设备时，就可以实现最快速率充电。
如果接入安卓设备，则器件启动BC1.2进程来识别 USB 端口类型。MP2696A的DP/DM 引脚可以检测负载设备的BC1.2请求，并切换为专用充电端口 ( DCP )，其DP/DM 引脚通过一个 100Ω 电阻连接在一起。在这种配置下，安卓设备也能以最高速率充电。
DP 和 DM 引脚设计满足8000V人体模式 ESD 等级，在连接物理端口插座时具有卓越的可靠性。
最大放电功率
当器件工作于升压放电模式时，SYS 端口提供恒压/恒流 (CV/CC) 输出。该端口将提供稳定的输出电压（5V可调）且具有最大输出电流限制（ 2.1A至3.6A可调）。如果 SYS 端口负载电流达到输出电流限值，则SYS 输出电压降低，输出电流保持在预设的限值以内（恒流模式操作）。但是，由于 SYS 端口电源是通过电池升压产生的，因此恒流工作区间应高于电池电压。如果输出电压跌至低于电池电压，则升压输出将中断并进入打嗝保护模式。不过，5V至电池电压的工作区间通常已能确保有效的恒流 (CC) 输出操作。
最大输出电流不仅受寄存器设置（ IOLIM ）的限制，还受开关MOSFET最大电流的制约。下管开关MOSFET Q4上设有峰值电流限制（5A至6.5A可设置区间 ），该硬限值会逐周期限制MOSFET Q4中的电流。当电池电压较低时，最大放电功率将受此峰值电流的限制，其近似计算公式如下：
其中， Ipeak_MAX 是MOSFET Q4上的峰值电流限值， ΔIinductor 是电感电流纹波峰峰值，Idischarge_MAX 是电池最大放电电流。通过配置BST_IPK 寄存器（ REG07h[1:0]），可以设置电池最大放电电流。
通过这样的设置，当电池电压较低时，最大放电功率可以被限制，电池温升也被限制，这能改善移动电源的热性能，提升用户体验，并降低电池的老化速度。注意，在这种情况下，最大输出电流可能无法达到IOLIM中的设置值。
SYS 端口电缆压降补偿
SYS 端口通常为 USB 输出端口，用于通过 USB 线缆为外部设备供电。MP2696A可以调节PMID电压以提供SYS 端口输出电压，但由于 USB 线缆存在电阻压降，负载 USB 插座上的电压会随着线缆中电流的增加而下降，这会对负载的充电速率带来负面影响。MP2696A集成了可选线缆压降补偿功能，通过一种便捷的方法解决了这个问题。设置RSYS_CMP 寄存器（REG03h [3:1]），以检测MOSFET Q2 中的电流，并根据SYS端口输出电流线性增大PMID调节电压。公式如下：
其中， VBOOST 为空载输出电压，由REG04h[7:5] 设置； ISYS为MOSFET Q2中的电流；RSYS_CMP 为补偿幅度，由REG03h[3:1] 设置； VPMID 为PMID引脚调节电压；RSYS_CMP 值可根据具体设计进行配置，以实现良好的 SYS 电缆补偿功能。
组件选择
MP2696A对外部元件值不太敏感，一般准则如下：
1µH电感适用于大多数应用。电感的饱和电流或热限制电流应高于电感峰值电流（例如6.5A ）。
考虑到所有输入端口电容的限制条件，在IN引脚上放置一个1µF电容，其余电容放置在PMID引脚上。
SYS端口输出电容自由度较大，但电容过大可能会影响SYS负载插入检测功能，建议具体情况具体分析。
电流采样电阻推荐采用0805封装的10mΩ电阻，并注意需采用开尔文检测走线方式
PCB布局和EMI问题
PCB布局不仅对移动电源的正常运行至关重要，而且与其EMI性能息息相关。请遵循以下指南以获得最佳效果：
PMID电容布线。最小化高频开关电流的“热环路”是关键。如图4所示，上管开关MOSFET Q3和下管开关MOSFET Q4构成了一个开关桥。在开关瞬间，流过开关MOSFET的电流具有超快电流变化速度（di/dt），这种快速变化的电流会在PCB及空中产生磁场，这就是EMI产生的根源。di/dt是纳秒级别的，并且有着丰富的谐波分量。将这种快速变化的电流限制在PCB上尽可能小的区域内非常重要，也就是说，要最小化图4中所示的环路。换句话说， PMID电容正极应尽可能短地连接到PMID引脚， PMID电容负极应尽可能短地连接到PGND引脚。在实际应用中，最好的方法是采用1206 PMID电容局部旁路开关桥，并将SW走线布置在PMID电容下方。如果上述方法无法实现，还可以选择使用过孔将PMID电容的接地点连接到 IC 的PGND引脚。这种方法要求过孔充足，并需注意电流流经路径应尽可能短。具体请参阅EV2696A -Q- 00A文档。
最小化噪声较大的PGND平面。即使采用上述PMID电容局部旁路法， PGND平面噪声仍然高于 PCB 静地平面，因此建议最小化PGND平面，并尽量与 PCB 接地平面隔离，这也有助于抑制“地坑”区域的噪声。
不建议将AGND直接连接到IC下方的PGND ，AGND引脚尽量连接到PCB静地平面。
添加额外元件也可以改善EMI性能，例如添加开关节点缓冲器和磁珠。初始阶段可尝试将1nF /2.2Ω缓冲器布置在PGND平面。但需注意，添加缓冲器会直接导致IC温升。
磁珠通常有助于改善SYS端口放电时的EMI性能。磁珠位置建议如图5所示。通常情况下，首次尝试添加bead1即可；也可添加bead2 ，预留PCB空间用于后续改进，不使用时可用0Ω电阻短接。
图4: 热开关环路
图5: 磁珠位置
MCU编码
MP2696A为 MCU 控制提供了极大的灵活性， EV2696A -Q- 00A的MCU 内置了参考编码。请联系 MPS 获取EV2696A -Q- 00A MCU 编码。
简化编码流程图如下所示。
MP2696A编码流程图
结语
MP2696A是专为高性能、高可靠性和易于使用的移动电源设计打造的一站式解决方案。它提供强大的功率级用于电池充电和放电，并为构建移动电源提供了所有必要的模拟/数字功能。
补充资料
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