支持快充协议的充电接口芯片XD9523的研究与设计

摘要

当今，电子信息技术日新月异，智能手机、平板电脑、相机、可穿戴设备等便携产品层出不穷，这给人们的生活带来了极大的便利，同时也刺激了经济发展。然而便携设备功能的日趋丰富和性能的不断增强使其待机问题日益凸显，为改善该问题引起的不良用户体验，可以增大电池容量或缩短充电时间。但目前电池材料和加工工艺进步缓慢造成电池的比容量难以突破，以体积的增大换取容量的增加又与便携设备轻薄化趋势背道而驰，因此，快速充电技术作为最佳解决方案得到了飞速的发展。
　　快速充电方案的本质是提高充电功率，主要实现方式包括增大电流和升高电压。第一种方式需要对充电线、充电器以及电池等硬件进行特殊定制，否则会导致功耗增大，无法实现真正意义上的快速充电；相比之下，第二种方式对配套的硬件有更强的兼容性，受到的关注度也更高，但直接升压所导致的受电设备内部DC-DC变换器功耗增加的问题难以避免。
　　鉴于上述问题，本文在确定采用升压快充方案的基础上，设计了一款兼容多种充电协议的锂电池充电接口芯片XD9523，作为适配器与终端设备之间的桥梁，主要完成充电协议的识别、充电电流实时跟踪检测以及反馈控制等功能。本设计方案的提出和实施经历了以下几个阶段：（1）查阅资料，在了解现有快速充电技术的基础上，确定了本设计将采用的快充实现方案；（2）制定了芯片规格并确定系统级设计方案和具体实现架构；（3）对整个系统进行了模块划分及具体的模块设计；（4）仿真验证了关键子模块及整体系统的功能。本文以Cadence软件为设计、验证平台，利用Virtuoso进行原理图设计，分别采用 Spectre仿真器和 AMS数模混合仿真工具进行子模块和整体系统的仿真验证。
　　仿真结果表明，该芯片具有比较完备的充电协议识别功能，包括对divider1/2/3、BC1.2、QC3.0等在内的USB DCP充电协议以及USB Type-C接口协议的识别，且在快速充电阶段实现了恒功率控制，即在输出电压进行渐变的同时保持充电功率的相对恒定，确保了电池在低 SOC时能够以连续的最大恒定功率进行充电，改善了升压方案存在的功耗问题，实现了高度的兼容性和可靠性。
　　本文所设计的锂电池充电接口芯片缓解了便携式设备续航能力不足造成的发展瓶颈问题，对快速充电技术的发展和普及起到了较大的推动作用。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 快充技术的研究现状及发展方向

1.3 本论文的主要研究工作和章节安排

第二章 快速充电原理及协议

2.1 快速充电原理分析

2.2 充电协议简介

第三章 XD9523的系统级方案设计

3.1 系统框图及应用

3.2 主要电气指标及工作流程

第四章 XD9523关键模块设计与仿真

4.1 带隙基准模块

4.2 内部电源电压产生模块

4.3 零温偏置电流模块

4.4 使能模块

4.5 振荡器模块

4.6 误差放大器OTA

第五章 XD9523整体仿真及版图布局

5.1 整体仿真

5.2 版图布局

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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