微處理器控制、寬輸入電壓、SMBus智能電池充電器的實(shí)施

隨著鋰離子化學(xué)電池在各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的使用越來(lái)越普遍，為這些電池充電的創(chuàng)新解決方案變得越來(lái)越必不要少。為了獲得最大程度的系統(tǒng)靈活度，我們可以使用微處理器來(lái)控制電池充電的各個(gè)方面，包括旨在提高充電速率和電池壽命的獨(dú)特充電算法。這種方法還能夠允許更高電壓的電池組實(shí)施。

本文將介紹如何利用一顆微處理器來(lái)控制一個(gè)寬輸入電壓 DC/DC 控制器的功率級(jí)板。這種解決方案可支持高達(dá) 55V 的輸入電壓；5V 到 51V 范圍的電池充電電壓；以及在大多數(shù)情況下高達(dá) 10A 的輸出電流。本文中所討論的硬件和軟件均由 TI 應(yīng)用工作人員開(kāi)發(fā)，并經(jīng)過(guò)他們的測(cè)試，目的是讓客戶能夠快速地進(jìn)行解決方案原型機(jī)制造。

為了易于開(kāi)發(fā)，我們將電池充電器分解為兩個(gè)單獨(dú)的板：微處理器控制器板和DC/DC-轉(zhuǎn)換器功率級(jí)板（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。正負(fù)電池端均連接至功率級(jí)板，而系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 通信線則連接至微處理器板。智能電池將我們想要的充電電壓和電流信息發(fā)送給微處理器，之后將兩個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)發(fā)送給DC/DC-轉(zhuǎn)換器功率級(jí)板，以設(shè)置實(shí)際輸出電壓和電流。

為了能夠使用標(biāo)準(zhǔn)寬輸入電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，功率級(jí)板設(shè)計(jì)有一個(gè)特殊的反饋電路（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2），以正確地控制電池充電。微處理器遵循的充電序列是，在電池電壓接近其規(guī)定最大電壓以前一直對(duì)充電電流進(jìn)行限制。當(dāng)達(dá)到最大電壓時(shí)，充電電壓便保持恒定，從而讓充電電流逐漸減少，直到認(rèn)為電池獲得完全充電為止。這時(shí)，PWM 輸出信號(hào)便關(guān)閉。

初始電流限制充電速率有兩個(gè)電流電平。當(dāng)電池過(guò)度放電時(shí)，在電池電壓達(dá)到某個(gè)足夠安全的級(jí)別來(lái)接受標(biāo)準(zhǔn)充電速率以前，將一直使用很低的充電速率來(lái)進(jìn)行充電。

在如圖 2 所示反饋電路中，U3:B 將 PWM-電流基準(zhǔn)電壓 (I_PWM1) 同提供給電池的測(cè)量電流 (ISNS1) 進(jìn)行對(duì)比。如果 PWM 基準(zhǔn)電壓高于測(cè)量電流，則放大器輸出為高。如果基準(zhǔn)電壓較低，則放大器輸出為低。

一個(gè)電阻分壓器（R30 和 R34）用于測(cè)量 U3:A 的 VBATT1 輸入端的輸出電壓。我們將該電壓同PWM-輸出基準(zhǔn)電壓 (V_PWM1) 進(jìn)行對(duì)比。如果該基準(zhǔn)電壓更高，則放大器輸出為高。如果基準(zhǔn)電壓更低，則放大器輸出為低。最大輸出電壓可由如下方程式表示：

圖 1 寬輸入電壓智能電池充電器的高級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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圖 2 正確對(duì)電池充電的恒流/電壓-反饋電路

圖 3 過(guò)壓及反極保護(hù)電路

圖 4 軟件流程圖簡(jiǎn)述

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D1 二極管將兩個(gè)放大器輸出與一個(gè)邏輯 OR 組合。最低電壓供給反相放大器（U3:D），其讓誤差信號(hào)極性在使用 DC/DC 控制器（這里為 TI 的 TPS40170）時(shí)為正確的。基本工作原理是：控制器嘗試發(fā)送一個(gè)設(shè)定電流；同時(shí)，如果負(fù)載可以接受該電流，則控制器便調(diào)節(jié)為該電流級(jí)別。如果負(fù)載不接受全部電流，則電壓開(kāi)始上升，并最終達(dá)到 VOUT（max）。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，電壓環(huán)路接管，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

若想提高解決方案的安全性，功率級(jí)板上還要有過(guò)電壓狀態(tài)（高達(dá)100V）和反向電壓連接（其正負(fù)極被交換）的保護(hù)電路。圖 3 顯示了這種電路。

輸入電壓反接時(shí)，反向電壓保護(hù)由 MOSFETs Q7 和 Q9 以及 D2 來(lái)提供。這樣便不允許對(duì)系統(tǒng)施加負(fù)電壓。輸入過(guò)電壓保護(hù)由 MOSFET Q8 和 Q10 提供。齊納二極管 D4，設(shè)置電路開(kāi)始鉗位的電壓。一旦超出齊納電壓，F(xiàn)ET 的柵-源電壓便開(kāi)始下降。這使FET工作在線性區(qū)域，并讓微處理器繼續(xù)得到供電。與此同時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，而信號(hào)SD1和SD2被拉至接地。

軟件實(shí)施與硬件實(shí)施同等重要。簡(jiǎn)要軟件流程圖已顯示在圖 4 中。微處理器通過(guò) SMBus 詢問(wèn)電池，請(qǐng)求其想要的充電電壓和電流。在確認(rèn)這些值以后，它便設(shè)置兩個(gè) PWM 輸出，以對(duì)到達(dá)電池的輸出電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果在任何時(shí)候，電池發(fā)布了一條充電警告，則 PWM 輸出關(guān)閉。另外，一旦電池的充電狀態(tài)達(dá)到 100% 或者設(shè)置的完全充電位，則 PWM 輸出關(guān)閉。

電池充電期間，安全是最重要的問(wèn)題。所有解決方案都應(yīng)該有數(shù)個(gè)保護(hù)層。第一個(gè)保護(hù)層是具有內(nèi)部保護(hù) MOSFET 的智能電池本身。在充電期間，微處理器應(yīng)定期（每隔 2 秒鐘較好）與電池通信，對(duì)“電池狀態(tài)”寄存器中的所有安全標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)控。要求響應(yīng)的一些標(biāo)志位包括過(guò)充電警告 (OCA)、終止充電警告 (TCA)、超高溫警告 (OTA)，以及完全充電 (FC) 狀態(tài)。微處理器的板上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可用作過(guò)電壓或者過(guò)電流事件的二次檢查。

結(jié)論

通過(guò)將一顆微處理器與一個(gè)寬輸入電壓 DC/DC 控制器配合使用，我們可以設(shè)計(jì)出一種完全可編程、寬輸入電壓電池充電器。本文為你介紹了一種解決方案，其使用 TI 的低功耗 MSP430F5510 微處理器，配合 TPS40170 DC/DC 控制器，構(gòu)建起一種能夠支持高達(dá) 55V 輸入電壓的結(jié)構(gòu)。文章描述了一種 TI 應(yīng)用工作人員為實(shí)施正確電池充電而開(kāi)發(fā)的特殊反饋網(wǎng)絡(luò)。另外，我們還討論了一種用于過(guò)電壓保護(hù)和反向電壓保護(hù)的新穎解決方案。通過(guò) SMBus 通信協(xié)議與智能電池進(jìn)行通信所需的軟件，可通過(guò)“參考文獻(xiàn)1”（一份應(yīng)用報(bào)告）中的鏈接下載到。SMBus 智能電池充電器的相關(guān)詳情，也可在“參考文獻(xiàn) 1”中找到。