[Power--IC]电源管理IC-STNS01

简述

在低功耗嵌入式设备中，电源管理IC是很必要的，因为需要给锂电池充电，以及给板子供电。电源管理IC有许多选择，这里介绍STNS01，意法半导体的。
STNS01集成了供电电路，电池保护电路，电池温度监测和3.1V 100mA的LDO。

相关操作流程

当有外部充电线接入时，此时IC会执行安全检查，检查过后会使用“恒流/恒压”算法进行充电。外部接入的电压也有范围的，需要比Vuvlo（一般4.18V）高且比Vinovp（一般5.9V）低才能通过检查，进行充电。
充电时，会同时从外部USB取电供系统使用。
当输入电压正常，而CHG不停翻转时，这种状态表示有错误发生了。

上电

在电源管理IC关掉之后，整个系统也是掉电的，此时用符合范围的外部电源Vin去激活，即可使系统重新上电。

充电

通过使用“恒流/恒压”充电算法，STNS01可以将电池电压充到4.2V。正常充电时，CHG从高阻态切换到低电平。
如果充电电压高于Vbatmin，充电开始。如果电压是deeply discharged（电压比较低，即高于Vbatmin且低于Vpre），将进入pre-charge（预充电）阶段，此时使用较低电流（Ipre = 20% Ifast）进行恒流充电，这个阶段内如果电压在tPRE（一般是1800s）时间内未达到Vpre（一般是3V），充电过程将会停止且产生fault信号。
当前面的预充电阶段到达Vpre了，“恒流快速充电阶段”将会启动，此时的恒流充电电流会提高到Ifast，Ifast可通过外部的电阻控制在15mA到200mA。
如果“恒流快速充电阶段”启动，此时电压又掉到Vpre以下的话，充电过程也会停止且产生fault信号。“恒流快速充电阶段”，当Vbat到达Vfloat（一般4.2V），充电算法将切换到“恒压充电模式”。
在“恒压充电模式”，电压将被规整到Vfloat（此时恒压为Vfloat），充电电流将会下降，当充电电流达到Iend（Iend = 10% Ifast），充电过程最终停止，此时CHG引脚恢复高阻态。如果“恒压充电模式”下载tFAST（一般是36000s）内没有结束，充电过程将会停止且产生fault信号。
出于安全考虑，在充电过程中电池温度将持续被监测。
上面的过程流程图表示如下：

而整个过程的示意图如下：

此图所示是比较理想的状态，其实实际在充电满时，在图中第二个OFF阶段的电压会稍微往下掉一点。
而充电过程所需要的时间如下图所示：

可以看到官方给出的充电时间是约4个小时。

电池温度监测

STNS01集成了比较器，偏置电路和控制逻辑，通过外部的NTS电阻配合监测电池温度。电池温度只在充电过程中监测，其他时间不监测，是为功耗方面的考量。
电池温度正常范围在0到45摄氏度，若充电过程中超出了这个范围，充电过程将会被挂起。

电池过充保护

当可用电源输入进行充电时，电池过充保护将保护电池超过Vochg（一般是4.275V），当电压超过Vochg时，电源到电池的电流将被阻断，充电错误信号（CHG toggle）将会产生。当电池又恢复到Vochg以下时，此时必须要插拔充电电源才会使充电IC复位，再进行正常的充电操作。

电池电压过度消耗（discharge）保护

当没有电源充电时，电池电量将会被消耗，电池电量也会被监测以避免“电压过度消耗”。如果电池电量掉到Vodc（一般是2.8V）以下持续tODD（一般是400ms）的时间，设备就会掉电，电流消耗会降到500nA，此时的状态就称为overdischarge“电压过度消耗”状态。
在“电压过度消耗”状态下，如果有外部合法供电电源接入，充电过程被激活，LDO也立即会正常工作。如果外部供电电源拔掉，此时因为已经被激活，所以此时又会再监测电池电量看是否调到Vodc以下tODD时间，如果是则又进入“电压过度消耗”状态，不是则继续正常工作。
从下图可以看到，的确在2.8V附近时，会启动电压过度消耗保护：

电池电流过度消耗保护

当STNSo1从BAT引脚取电时（此时应该没有外部电源在充电，因此电源管理IC需要从电池来取电了），有此保护机制，当设备电流超出Ibatocp（一般在400到650mA）持续tDOD（一般在14ms）时间时，设备将会掉电，需要通过外部电源来重新激活。

输入电流过载保护

当STNS01直接从IN引脚供电（外部供电），当Vsys低于Vilimschth（一般为2V）时，输入电流将被限制在Iinlimsc（一般为400mA）以避免短路发生。

SYS和LDO短路保护

当SYS和LDO短路时，设备立即掉电。

输入电压过载保护

当STNS01直接从IN引脚供电（外部供电），Vuvlo

Shutdown模式

SD引脚给高电平，且没有外部供电接入，设备会进入Shutdown模式，电流500nA，需要重新激活才能正常使用了。

热Shutdown

当温度超过TSD，设备掉电。

电流反转保护

当外部输入电压很低时，且低于Vbat时，从BAT到IN引脚将被阻断，以避免不必要的电量消耗。