基于智能電池供電的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

引言

　　隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，便攜設(shè)備的種類越來越多，處理能力不斷增強(qiáng)，所支持的應(yīng)用也越來越多。便攜設(shè)備的一種重要的供電方式是采用電池供電，智能電池在便攜設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。衡量便攜設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)是電池供電狀態(tài)下的工作時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)某專用便攜設(shè)備在電池供電方式下可以較長時(shí)間地工作，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于智能電池組的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)可外接直流電或使用雙電池組供電，能夠?qū)斎腚娫催M(jìn)行自動(dòng)選擇；能同時(shí)對兩組智能電池充電，并通過SMBus（System Management Bus，系統(tǒng)管理總線）與主機(jī)系統(tǒng)通信，交互系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　1? 電源系統(tǒng)組結(jié)構(gòu)

　　電源系統(tǒng)由智能電池系統(tǒng)管理電路，+12 V、4 A電源產(chǎn)生電路，+5 V、2 A后備電源產(chǎn)生電路以及2個(gè)智能電池組等組成，如圖1所示。電源系統(tǒng)的負(fù)載為基于COM Express模塊的便攜設(shè)備。設(shè)備要求使用+12 V作為主電源，+5 V作為后備待機(jī)電源，設(shè)備的最大功耗約為50 W。其中，+12 V主電源需要3 A容量，+5 V后備電源需要1.5 A容量，同時(shí)要求電池供電工作時(shí)間不小于4 h。+24 V、電池組1和電池組2的輸入直接經(jīng)+5 V后備電源電路產(chǎn)生+5 VSB電源，為在負(fù)載休眠狀態(tài)下仍然工作的部分電路供電；3個(gè)電源輸入經(jīng)智能電池系統(tǒng)管理電路選擇后，在12 VON控制信號控制下通過+12 V電源電路產(chǎn)生負(fù)載所需的+12 V電源；智能電池系統(tǒng)管理電路對電池組進(jìn)行充電/放電管理，并通過SMBus與主機(jī)系統(tǒng)交互電池供電狀態(tài)；系統(tǒng)通過2個(gè)智能電池組供電來滿足設(shè)備長時(shí)間電池供電的要求。

　　2? 主要電路設(shè)計(jì)

　　2.1? 智能電池組

　　智能電池組由鋰電池組、電池電量計(jì)和電池保護(hù)電路構(gòu)成，能利用內(nèi)部電路來測量、計(jì)算和存儲(chǔ)電池?cái)?shù)據(jù)，使電池的使用更加可預(yù)測。智能電池組的管理基于SBS（Smart Battery Specification，智能電池規(guī)范）V1.1規(guī)范。智能電池組的通信使用SMBus總線，通過SMBus向主機(jī)或智能充電器提供電池組的最大充電電壓、電流、剩余電量、電池溫度等參數(shù)，并預(yù)測剩余工作時(shí)間等信息。在過充、過放、溫度超標(biāo)等危險(xiǎn)情況下，智能電池組還能自動(dòng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并發(fā)出警報(bào)廣播。

　　智能電池組結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)中鋰電池組由ICR1865電池通過串/并聯(lián)組合構(gòu)成。單節(jié)ICR1865鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V，標(biāo)稱容量為2 Ah，滿電電壓為4.2 V，放空電壓為2.9 V。按照阻容指標(biāo)一致的原則，以4并4串的形式進(jìn)行組合，電池組的標(biāo)稱電壓為14.4 V，標(biāo)稱容量為8 Ah。采用TI公司的電量計(jì)芯片bq20z40、電池保護(hù)模擬前端芯片bq29330、二級電壓保護(hù)芯片bq29412以及相應(yīng)外圍器件，構(gòu)成電池電量計(jì)和電池保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)鋰電池組的過壓、過流、過放電保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控、電量測量等功能，通過SMBus總線接口與智能電池系統(tǒng)管理器電路交互電池的狀態(tài)。

　　bq20z40集成8位超低功耗的RISC CPU，遵循SBS 1.1規(guī)范；可靈活配置2節(jié)到4節(jié)鋰電池；可對電壓、電流及溫度等參數(shù)編程；采用動(dòng)態(tài)阻抗跟蹤電池電量的算法進(jìn)行測量，測量精度可達(dá)1%；并采用SHA1加密構(gòu)架，提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性；具有靈活的工作模式，能在電池組庫存期間使芯片進(jìn)入睡眠模式，以降低電池電量消耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電池組的充放電曲線，將電池組的工作參數(shù)寫入bq20z40的數(shù)據(jù)Flash中。

　　bq29330能夠?qū)崿F(xiàn)電池過載、充電短路、放電短路保護(hù)、電池過/欠壓保護(hù)功能。電池過載、充電短路、放電短路時(shí)，bq29330根據(jù)內(nèi)部配置自動(dòng)關(guān)閉場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)。主機(jī)可通過通信接口監(jiān)視和控制bq29330的狀態(tài)和參數(shù)（如電池平衡、電流保護(hù)級別等）。通過I2C接口使能電池均衡后，在充電過程中bq29330檢測每節(jié)電池的電壓，將較高電壓電池的電流部分分流，使它的充電速度比其他電池慢，以達(dá)到電池間充電時(shí)間的平衡；在放電過程中，增加較高電壓電池的有效負(fù)載，使它的放電速度比其他電池快，從而使每節(jié)電池的容量保持一致。

　　bq29412提供電池電壓二級保護(hù)功能，電池組中的每節(jié)電池均和芯片內(nèi)部的參考電壓比較，只要有一節(jié)電池電壓達(dá)到過壓條件，就啟動(dòng)保護(hù)流程；延時(shí)到設(shè)定時(shí)間后仍然過壓，輸出引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平到高電平的跳變，推動(dòng)外部連接的場效應(yīng)管，熔斷保險(xiǎn)絲，保證在過電壓狀態(tài)下電池組安全。

　　2.2? 智能電池系統(tǒng)管理電路

　　智能電池系統(tǒng)管理電路實(shí)現(xiàn)直流輸入與智能電池組輸入之間、兩個(gè)智能電池組之間的電源路徑選擇，智能電池組的充電管理以及與主機(jī)系統(tǒng)之間的通信交互功能。選用Linear Technology公司的雙智能電池管理器芯片LTC1760作為智能電池系統(tǒng)管理電路的核心。以LTC1760為核心的智能電池系統(tǒng)管理電路如圖3所示。

　　LTC1760是為使用雙路智能電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高度集成的3級電池充電器和選擇器，采用降壓開關(guān)拓?fù)?，具有符合智能電池?biāo)準(zhǔn)定義的多種功能和輸入限流、安全限制等新增功能。LTC1760的SMBus接口可以跟蹤電池的內(nèi)部電壓和電流，同時(shí)允許一個(gè)外接的SMBus主機(jī)監(jiān)控任意一個(gè)電池的狀態(tài)。通過SMBus接口，主機(jī)系統(tǒng)可獲知電池供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，例如電池組的電壓、電流、充電電壓、充電電流、電池告警狀態(tài)，以及使用的外接電源還是電池組供電等。LTC1760的充電精度由電池組內(nèi)部的電壓、電流測量值決定，典型的測量精度誤差為±0.2%。雙電池系統(tǒng)通常采用順序放電方式放電，即先消耗電池組1的電量，再消耗電池組2的電量，通過這種方式來簡單地延長總的電池放電時(shí)間。而LTC1760采用專有的供電路徑架構(gòu)支持兩路電池同時(shí)充電或放電。典型狀態(tài)下，可使電池供電時(shí)間延長10%，而充電時(shí)間可減少50%。LTC1760能夠在10 μs內(nèi)在輸入電源之間切換，防止電池或外部電源遷移時(shí)供電中斷。電池的熱敏電阻可以用于監(jiān)控電池的溫度和電池的連接狀態(tài)。

　　智能電池系統(tǒng)管理電路在設(shè)計(jì)中需確定5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

　?、?輸入限流電阻RCL。用于限制系統(tǒng)充電電流和負(fù)載電流之和，不超過外接電源適配器的額定電流。系統(tǒng)中，適配器選擇24 V、150 W，額定電流為6 A，RCL的電流ILIM=5.7 A，RCL選擇0.018 Ω/1 W的電阻。

　?、?限流電阻RILIM。設(shè)定充電器可以供給電池的最大允許電流，任何超過這個(gè)限度的值都會(huì)被限定值所取代。

　?、?匹配充電電流檢測電阻RSENSE。作用是讓充電器的滿標(biāo)度電流與設(shè)置滿標(biāo)度限流值同步。在本系統(tǒng)中充電最大電流設(shè)定為4 A，RILIM設(shè)定為開路，RSENSE使用0.025 Ω/1 W的電阻。

　　④ 限壓電阻RVLIM。用于設(shè)定充電器可輸出的5個(gè)限壓值中的一個(gè)，本系統(tǒng)中充電限制電壓設(shè)定為16.8 V，因此，RVLIM選擇33 kΩ的電阻。

　?、?短路保護(hù)電阻RSC。用于設(shè)定電路短路保護(hù)啟動(dòng)電流。系統(tǒng)中3個(gè)電源通路都由2個(gè)背對背的P溝道場效應(yīng)管與短路檢測電阻RSC串聯(lián)。系統(tǒng)中選擇RSC=0.012 Ω/1 W。

　　經(jīng)過智能電池系統(tǒng)管理電路電源路徑選擇后，+12 V電源產(chǎn)生電路的輸入端電壓：外接直流電供電時(shí)為+24 V。2.3+12 V產(chǎn)生電路電池組供電時(shí)，電壓可從滿電時(shí)的+16.8 V逐漸下降到+11.6 V。因此，輸入電壓的變化范圍為+11.6~+24 V。

　　如果使用單一的降壓變換電路產(chǎn)生+12 V電路，那么在電池供電過程中，當(dāng)電池即將放空、電池電壓接近或低于12 V時(shí)，電路將不能正常工作。此時(shí)，電池仍有一定的電量未放出，不能充分利用電池的供電能力。若采用獨(dú)立的降壓-升壓或者升壓-降壓電路進(jìn)行組合，則在輸入電壓高于+12 V的大部分工作時(shí)間內(nèi)，電源轉(zhuǎn)換的效率較低，而且電路復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中采用SEPIC（SingleEnded Primary Inductance Converter，單端主電感變換器）電路，用LTC1871作為SEPIC控制器。這樣，無論在外接電源及電池組電壓大于12 V時(shí)，還是在電池供電后期，均能產(chǎn)生＋12 V供電電壓。

　　SEPIC電路拓?fù)浜碗娏髟陂_關(guān)閉合和斷開情況下的流向示意分別如圖4（a）～（c）所示。L1和主開關(guān)SW構(gòu)成了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，L2和二極管D1構(gòu)成升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器。取L1=L2，并將L1和L2繞在同一核心上，可以降低輸入紋波、尺寸和成本。在系統(tǒng)中選擇L1、L2在同一核心上，并且兩者具有相等的電感。

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圖4? SEPIC電路拓?fù)浜碗娏髁飨蚴疽鈭D

　　+12 V電源產(chǎn)生電路如圖5所示。輸入電壓為+10~+24 V，最大負(fù)載電流為4 A，輸出電壓為+12 V。電路啟動(dòng)由負(fù)載反饋的12 VON信號控制。10 μF/25 V×2指2個(gè)10 μF/25 V的電容并聯(lián)，68 μF/20 V×4指4個(gè)68 μF/20 V的電容并聯(lián)。（根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]對重要元器件選型參數(shù)的計(jì)算過程略--編者注。）

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圖5? +12 V電源產(chǎn)生電路

　　2.4? +5 V后備電源產(chǎn)生電路

　　+5 V后備電源產(chǎn)生電路如圖6所示。從+24 V、智能電池組1和智能電池組2獲得電源輸入，通過降壓穩(wěn)壓器LT1912獲得+5 V、2 A輸出。LT1912輸入范圍為3.6~36 V，開關(guān)頻率可在200~500 kHz范圍內(nèi)設(shè)置，輸出電壓0.79~20 V可調(diào)，最大輸出電流為2 A。在每個(gè)輸入端串接一個(gè)低正向壓降的二極管，防止輸入電源之間形成回路。

　　結(jié)語

　　本文為某便攜設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)可支持外接直流電或使用雙電池組供電的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在外接24 V電源、電池組輸入之間選擇合適的輸入，可同時(shí)對兩組智能電池充電，并能通過SMBus與主機(jī)系統(tǒng)通信以交換電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對便攜設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

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