MiniDSO-DS202迷你示波器电源测试

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DS202迷你示波器内置了锂电池，方便测量，本文主要对其电源管理及充电过程等进行分析测试。1        主要电源网络

本节主要描述DS202迷你示波器PCB上的电源网络。

1.13V6

实际与电池直接连接，测试该网络电压与电池电压相同。LCD背光芯片，蜂鸣器，电源管理芯片AXP192都连接该电源网络。

1.23V

由电源管理芯片AXP192第一组DCDC输出，实测电压约3V（软件可调）。为液晶模组，MCU，FLASH等供电。

1.3+V

由电源管理芯片AXP192第三组LDO输出，实测电压3V（软件可调）。主要给运算放大器OPA2354，模拟开关HC4053提供正电源轨。

1.4–V

由3V电源网络经过电荷泵TPS60403转化而来，实测电压-3V，电压幅值由输入电压决定。主要给运算放大器OPA2354，模拟开关HC4053提供负电源轨。

1.5Vm

经过100uH电感连接到3V电源网络，为触控芯片HC640提供电源。

2        电源管理相关芯片2.1AXP192

AXP192提供了锂电池充放电管理，3路可调DCDC输出，4路可调LDO输出，集成电源管理各种保护以及与MCU接口电路。

本文充电分析主要针对该芯片。以下内容节选自AXP192数据手册：

AXP192 是高度集成的电源系统管理芯片，针对单芯锂电池(锂离子或锂聚合物)且需要多路电源转换输出的应用，提供简单易用而又可以灵活配置的完整电源解决方案，充分满足目前日益复杂的应用处理器系统对于电源相对复杂而精确控制的要求。  

AXP192 内部集成了一个自适应的 USB-Compatible 的充电器，3 路降压转换器(BuckDC-DC converter)，4 路线性稳压器(LDO)，电压/电流/温度监视等多路 12-Bit ADC。为保证电源系统安全稳定，AXP192 还整合了过/欠压(OVP/UVP)、过温(OTP)、过流(OCP)等保护电路。  

AXP192 的智慧电能平衡(Intelligent Power Select, IPS™)电路可以在 USB 以及外部交流适配器、锂电池和应用系统负载之间安全透明的分配电能，并且在只有外部输入电源而没有电池(或者电池过放/损坏)的情况下也可以使应用系统正常工作。

AXP192 具有外部适配器和 USB 以及电池等三输入能力，支持可充电备用电池。  

AXP192 提供了一个与主机通讯的两线串行通讯接口:Two Wire Serial Interface (TWSI)， 应用处理器可以通过这个接口去打开或关闭某些电源输出， 设置它们的电压， 访问内部寄存器和多种测量数据(包括Fuel Gauge)。高精度（0.5%）的电量测量数据方便消费者更清楚的实时掌握电能使用状况，给消费者带来前所未有的设备电能使用体验。

2.2TPS60403

TI出品的电荷泵芯片，输入范围1.6V到5.5V，输出范围-1.6V到-5.5V，负载能力最大60mA。在DS202中主要用于将3V电源转化为-3V电源，为模拟运放和模拟开关提供负电源轨。

2.3QX5239B

用来为液晶模组提供背光。MCU通过调节2脚输入信号占空比可以调整LCD背光亮度，实测PWM脉冲频率为360Hz。

2.4锂聚合物电池

标称容量500mAh，标称电压3.7V，充电截止电压4.2V，实际充电结束电压显示4.12V，放电低于3V以后很快自动关机。

目测体积仍然不是最优，还可以放置更大容量的电池。

本文下一节对其容量进行了测试。

3        充电测试

充电使用HP 5V2A充电器（俗称大猪头），使用UIMeter 5.08端子接口输入，普通USB接口输出，如图 1所示。使用UIMM软件记录数据到CSV表格。

图 1 DS202充电中

原始数据下载链接：http://pan.baidu.com/s/1c0AhWuW

本节分析皆基于此数据展开，感兴趣的朋友可以下载数据自己分析验证。

充电开始前，DS202已经自动关机，实测锂电池电压达到3V以下DS202便会自动关机。

2015/02/05 21:21:10充电过程开始，初始电流446.0mA，首先进入恒流充电阶段。2015/02/0522:19:16充电电流开始显著下降，恒流充电结束。恒流阶段持续时间58分钟，平均电流434.2mA。

2015/02/05 22:19:16开始进入浮充阶段，充电电流开始下降，切换过程平滑。2015/02/05 22:53:27浮充结束，充电电流降为0，结束前电流51.5mA，即0.1C关断。浮充阶段历时34分钟。

整个充电过程历时1小时32分钟。充入电量0.5194Ah，2.6910Wh，平均电压5.1810V。充电结束以后，DS202输入电流为0。

充电过程完整电压电流曲线如图 1所示。整个充电过程电压平稳，恒流充电阶段电流稳定，恒流切换浮充过程平滑，浮充阶段电流曲线完美，截止为标准0.1C截止。整个充电过程电压电流曲线完美。

图 2 电压、电流曲线

电量曲线见图 2，分别记录了充电过程的Ah和Wh数。恒流阶段，电量基本线性增加。浮充阶段，斜率开始下降，电量上升变得平缓，充电结束以后斜率变为0，电量停止增加。

图 3 电量曲线

测试过程中环境温度曲线见图 3，最高温度24.6℃，最低温度23.6℃，平均温度24.3℃。

图 4 环境温度曲线

本次测试数据整理如表 1所示。

表 1 DS202充电数据总结

设备型号	MiniDSO-DS202	备注
电池规格	500mAh  3.7V
平台	AXP192
充电方式	恒流恒压
恒流充电时间	58分
恒流平均电流	434.2mA
浮充时间	34分
浮充停止电流	51.5mA	0.1C
充电总时间	1小时32分
充电电量Ah	0.5194Ah
充电电量Wh	2.6910Wh

AXP192这颗电源管理芯片在充电过程中呈现出了极高的素质，充电过程为标准恒流恒压充电，电流曲线完美。充电关断电流为0.1C，关断以后输入电流为0.

DS202标配的500mAh锂电池充电过程中充入了519.4mAh，推测AXP192充电为线性充电，且充电过程在关机状态下进行，因此USB接口输入电流与输入电池电流相等，可以推断电池实际容量约为519.4mAh，完全足容量。

整个充电过程历史1小时32分，最大电流不足450mA，而标准USB接口都可以提供至少500mA电流，因此，使用DS202完全不用担心电池供电问题，USB接口是绝大多数手机使用的MicroUSB接口，使用一个单节18650的移动电源足以将其充满两三次。如果你长期接触不到市电也没有关系，一个小米16000mAh移动电源可以将其充满20次以上。

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4         总结与建议
DS202使用的AXP192电源管理芯片充电特性优秀。DS202内置的500mAh锂聚合物电池容量充足，充电时间仅仅需要一个半小时（约为1C充电），比市面上绝大多数手机产品充电时间都要短，充电截止电流精确。
主要的一个建议是：降低3V电源电压到2.7V，原因主要有以下几点：
1）运放OPA2354目前供电为±3V，等效单极性供电6V，而TI官方手册给出的工作电压范围为2.5V~5.5V，手册上所有指标均在此范围内测试。手册指出单极性电压超过7.5V会造成永久损坏。在5.5V到7.5V这段范围内器件性能无法保证，可能正常也可能损坏。现在DS202上的OPA2354电压6V恰好在这个范围内。3V电源电压降低到2.7V，OPA2354供电变为5.4V，在TI手册推荐的工作范围内。
2）W25Q64存储芯片最低工作电压为2.7V，是限制工作电压继续降低的因素。此外触控芯片最低工作电压2.5V。其余MCU，运放，模拟开关，电荷泵等都可以在2V电压下工作。
3）3V电源电压由AXP192的第一路DCDC提供，输出电压是可调的。由于是开关降压，降低输出电压可以提高效率，延长电池使用时间。运放负电源轨-V网络由3V电源反相而来，改变输入输出自动改变。提供+V网络的第三路LDO输出电压也可调。修改只需要通过软件即可完成。
4）实际发现电池电压达到3V时，DS202输入信号开始剧烈抖动。猜测原因如下：如果电池电压达到3V时，DCDC的buck电路相当于直通，理论上可以提供3V电压，即运放负电源轨-V网络可以保持-3V，但是正电源轨+V网络由LDO输出，无法保证+3V输出。运放供电已经无法保证。
5）DS202设计输入电压范围40V，前端自带1M和75k分压电阻，因此输入到运放电压最大范围为40*75/(1000+75)= 2.7907V。±3V供电自然可以满足输入电压范围要求，事实上OPA2354输入范围为-V-0.1到+V+0.1，±2.7V供电时输入范围为-2.8V到2.8V，理论上也是满足要求的。

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限制文章长度，只能分两部分了。。