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便攜式設備的便攜性是與電池的發(fā)展息息相關(guān)的，從最初的鉛酸電池、鎳鎘（Ni-Cd）電池發(fā)展到鎳氫（Ni-H）、鋰離子（Li-ion）電池一直到最近的鋰聚合物（Li-polymer）電池，能量密度逐步提高，移動(dòng)性能越來(lái)越強，電池的缺點(diǎn)也不斷被克服。本文就將介紹一個(gè)便攜式鋰聚合物電池的管理系統設計。 系統整體結構 本設計的應用實(shí)體是一個(gè)工業(yè)上使用的便攜式設備，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式處理器，并使用USB接口與電腦相連接，面向的是大數據量應用。這個(gè)設備需要30V直流電壓，所以計劃使用4個(gè)1000mAh鋰聚合物電池串聯(lián)的電池組；另外，出于防水防塵的考慮，對外只使用一個(gè)方形的USB接口（USB B Type Socket），這個(gè)USB口同時(shí)兼具數據傳輸和充電的功能。 整體結構如圖1所示�？刂坪诵陌‵PGA及其所連的接口、顯示電路，需要3.3V的低電壓，由高效率的DC/DC芯片從4芯鋰電池組直接降壓得到。這個(gè)電壓很重要，所以需要保持穩定且連續，除非電池組低電量或者過(guò)流保護，否則此電壓一直供給。 圖1 系統整體結構框圖 執行機構需要30V直流電壓，電流大約80mA左右，使用一個(gè)升壓DC/DC電路，這個(gè)電路由控制核心操縱，平時(shí)是不工作的，只在需要動(dòng)作之前開(kāi)啟。 充電使用外部20V電源，通過(guò)USB接口連接。使用這種電源的考慮是為了進(jìn)行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個(gè)端口，為了避免接入普通USB時(shí)進(jìn)入充電程序，需要一個(gè)電壓判斷電路進(jìn)行判斷。 由于合乎需要的芯片解決方案市場(chǎng)上很難尋覓，決定使用FPGA的剩余邏輯資源來(lái)實(shí)現充電器的控制功能，添加少量的模擬電路來(lái)輔助。這就要求對控制電路的供電不能中斷，電池組必須一直在線(xiàn)，并且電池負極需要一直與GND連接。 電池電路 1 電壓采樣 最重要的部分就是電壓采樣電路的設計，要求精度高并且受溫度影響小。這個(gè)設計難點(diǎn)在于電池電壓對于GND而言是浮動(dòng)的。很多方案采取了差分運放轉換到對地電壓然后輸入專(zhuān)用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個(gè)方案由于引入了差分運放，產(chǎn)生了許多問(wèn)題。首先，電壓比較高，運放很難找；其次，運放的電源與輸入電壓使用同一個(gè)電源，這樣一來(lái)就要求運放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個(gè)負電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運放及使用匹配的電阻使得精度降低。 圖2 RC充電電路 為了盡量簡(jiǎn)化電路，這里構造了積分型的ADC，將FPGA定時(shí)的高精度轉化為電壓測量的高精度。 這是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC充電電路（見(jiàn)圖2）。其工作流程是：J1先閉合，釋放C1上的電荷；然后J1打開(kāi)，由R1對C1進(jìn)行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當C1電壓超過(guò)V2時(shí)輸出高電平。統計從J1打開(kāi)到U1輸出高電平之間的時(shí)間，便可以確定V1的電壓大小�？梢灾庇^(guān)地看出，V1越高，這段時(shí)間越短。 實(shí)際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫(huà)出了第一個(gè)電池的測量電路。其中，R1與C1便是積分使用的電阻與電容，Q1是常用的P-MOSFET，這里用來(lái)實(shí)現J1給電容放電的功能，U5同時(shí)實(shí)現電壓基準與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來(lái)自FPGA，X2是開(kāi)關(guān)量輸出，去往FPGA。電壓比較器選用的是美信公司的MAX921。 圖3 實(shí)際取樣電路圖 這個(gè)電路在靜態(tài)時(shí)僅僅消耗MAX921的4μA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計，非常省電。 這個(gè)電路另外一個(gè)特色是省掉了經(jīng)常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態(tài)時(shí)，C2兩端達到電壓平衡，不消耗電能，此時(shí)，X2電壓為0。U5輸出高電平時(shí)，因為C2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個(gè)肖特基二極管是起限幅作用的。仔細調整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開(kāi)關(guān)量信息。 2 平衡充電 平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式，但是很多小功率的應用中實(shí)際是沒(méi)有平衡充電的，如大多數的筆記本電腦電池組，這樣做實(shí)際上對電池壽命的影響是相當大的。 現有的均衡技術(shù)主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問(wèn)題就是控制起來(lái)很復雜。 現在很多專(zhuān)用芯片或者單片機解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過(guò)可控制的耗能來(lái)實(shí)現的。這種方式中一般都是使用一個(gè)耗能元件來(lái)消耗能量，從而等待其他電池單元充滿(mǎn)或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩壓二極管上的耗能太大，造成的發(fā)熱量是不能忍受的。 圖4 實(shí)際充電方式圖 實(shí)際使用的充電方式如圖4所示，當然，這只是一個(gè)示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開(kāi)關(guān)陣列是用功率MOSFET實(shí)現。 這種做法，管子都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒(méi)有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復雜，由于要匹配每個(gè)電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離，因為開(kāi)關(guān)頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。 整個(gè)充電電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不再添加任何的控制模塊，由FPGA直接控制場(chǎng)效應管，電流檢測和電壓檢測電路的輸出也轉化為開(kāi)關(guān)量直接傳給FPGA。 充電分為四個(gè)步驟： a) 檢測是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V； b) 打開(kāi)J1和J8，對整體進(jìn)行大電流充電，同時(shí)測量電池單體的電壓，如果有電池單體達到4.2V，進(jìn)入下個(gè)步驟； c) 逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比＜5%； d) 對未到4.2V的電池進(jìn)行輪流充電，當占空比均下降到5%時(shí)，充電結束。 這里需要說(shuō)明的是，a)和d)步驟中輪流充電是通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現的，并且輪流充電并不會(huì )延長(cháng)充電時(shí)間，這是因為此時(shí)的占空比遠遠小于25%，可以在一個(gè)充電周期內分別給四個(gè)電池充電。 3 過(guò)流和低壓保護 為了保證電池組的絕對安全，電池組的過(guò)流和低壓保護是獨立設置的，當出現問(wèn)題時(shí)可直接切斷電池組的輸出，這種類(lèi)型的電路也非常普遍，這里不再贅述。 另外需要說(shuō)明的是，控制系統里面也含有非易失存儲器和電池輸出探測電路，當探測到保護電路動(dòng)作的時(shí)候，當前的信息將保存到非易失存儲器中，以供日后分析。 總結 多節鋰電池組成電池組是現在便攜式較大功率設備的必然選擇，如何管理和維護這個(gè)電池組使其高效長(cháng)壽命地工作也是擺在電子設計師面前的任務(wù)。 本文提供了一個(gè)新思路，即采用簡(jiǎn)單而精確的電路，將復雜的模擬量轉化為數字量，從而簡(jiǎn)化外部電路的設計，把復雜的充電時(shí)序控制交給可編程邏輯來(lái)處理。這樣做不僅非常靈活，精度高，而且還降低了成本。 |
