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微處理器控制智能電池充電器的設計方案

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年12月31日  

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


本文將介紹如何利用一顆微處理器來控制一個寬輸入電壓DC/DC控制器的功率級板。這種解決方案可支持高達55V的輸入電壓;5V到51V范圍的電池充電電壓;以及在大多數情況下高達10A的輸出電流。本文中所討論的硬件和軟件均由TI應用工作人員開發,并經過他們的測試,目的是讓客戶能夠快速地進行解決方案原型機制造。


為了易于開發,我們將電池充電器分解為兩個單獨的板:微處理器控制器板和DC/DC-轉換器功率級板(請參見圖1)。正負電池端均連接至功率級板,而系統管理總線(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送給微處理器,之后將兩個脈寬調制(PWM)信號發送給DC/DC-轉換器功率級板,以設置實際輸出電壓和電流。


為了能夠使用標準寬輸入電壓DC/DC轉換器,功率級板設計有一個特殊的反饋電路(請參見圖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定最大電壓以前一直對充電電流進行限制。當達到最大電壓時,充電電壓便保持恒定,從而讓充電電流逐漸減少,直到認為電池獲得完全充電為止。這時,PWM輸出信號便關閉。


初始電流限制充電速率有兩個電流電平。當電池過度放電時,在電池電壓達到某個足夠安全的級別來接受標準充電速率以前,將一直使用很低的充電速率來進行充電。


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


一個電阻分壓器(R30和R34)用于測量U3:A的VBATT1輸入端的輸出電壓。我們將該電壓同PWM-輸出基準電壓(V_PWM1)進行對比。如果該基準電壓更高,則放大器輸出為高。如果基準電壓更低,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系統結構圖


圖2正確對電池充電的恒流/電壓-反饋電路


圖3過壓及反極保護電路


圖4軟件流程圖簡述


D1二極管將兩個放大器輸出與一個邏輯OR組合。最低電壓供給反相放大器(U3:D),其讓誤差信號極性在使用DC/DC控制器(這里為TI的TPS40170)時為正確的。基本工作原理是:控制器嘗試發送一個設定電流;同時,如果負載可以接受該電流,則控制器便調節為該電流級別。如果負載不接受全部電流,則電壓開始上升,并最終達到VOUT(max)。當出現這種情況時,電壓環路接管,并對輸出電壓進行調節。


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


輸入電壓反接時,反向電壓保護由MOSFETsQ7和Q9以及D2來提供。這樣便不允許對系統施加負電壓。輸入過電壓保護由MOSFETQ8和Q10提供。齊納二極管D4,設置電路開始鉗位的電壓。一旦超出齊納電壓,FET的柵-源電壓便開始下降。這使FET工作在線性區域,并讓微處理器繼續得到供電。與此同時,DC/DC轉換器關閉,而信號SD1和SD2被拉至接地。


軟件實施與硬件實施同等重要。簡要軟件流程圖已顯示在圖4中。微處理器通過SMBus詢問電池,請求其想要的充電電壓和電流。在確認這些值以后,它便設置兩個PWM輸出,以對到達電池的輸出電壓和電流進行調節。如果在任何時候,電池發布了一條充電警告,則PWM輸出關閉。另外,一旦電池的充電狀態達到100%或者設置的完全充電位,則PWM輸出關閉。


電池充電期間,安全是最重要的問題。所有解決方案都應該有數個保護層。第一個保護層是具有內部保護MOSFET的智能電池本身。在充電期間,微處理器應定期(每隔2秒鐘較好)與電池通信,對電池狀態寄存器中的所有安全標志進行監控。要求響應的一些標志位包括過充電警告(OCA)、終止充電警告(TCA)、超高溫警告(OTA),以及完全充電(FC)狀態。微處理器的板上模數轉換器,可用作過電壓或者過電流事件的二次檢查。


結論


通過將一顆微處理器與一個寬輸入電壓DC/DC控制器配合使用,我們可以設計出一種完全可編程、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TPS40170DC/DC控制器,構建起一種能夠支持高達55V輸入電壓的結構。文章描述了一種TI應用工作人員為實施正確電池充電而開發的特殊反饋網絡。另外,我們還討論了一種用于過電壓保護和反向電壓保護的新穎解決方案。通過SMBus通信協議與智能電池進行通信所需的軟件,可通過參考文獻1(一份應用報告)中的鏈接下載到。SMBus智能電池充電器的相關詳情,也可在參考文獻1中找到。


參考文獻


如欲了解更多本文相關信息,敬請訪問www.ti.com/lit/litnumber并用具體的TILit.#替換litnumber,以便下載Acrobat®Reader®文件,獲取下面所列資料。


文獻,標題TILit.#


1、《應用報告》的使用MSP430™MCU和bq電量計之間SMBus通信接口的寬輸入電壓電池充電器,作者:AbhishekA.Joshi和KeithJ.Keller


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