一個(gè)基于可編程邏輯的便攜式鋰聚合物電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案淺析

便攜式設(shè)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)性能越來越強(qiáng)，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(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)體是一個(gè)工業(yè)上使用的便攜式設(shè)備，采用Altera的FPGA和其上的NIOSII嵌入式處理器，并使用USB接口與電腦相連接，面向的是大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。這個(gè)設(shè)備需要30V直流電壓，所以計(jì)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(duì)外只使用一個(gè)方形的USB接口（USB B TypeSocket），這個(gè)USB口同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制核心包括FPGA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(wěn)定且連續(xù)，除非電池組低電量或者過流保護(hù)，否則此電壓一直供給。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)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?jiǎng)幼髦伴_啟。

充電使用外部20V電源，通過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的剩余邏輯資源來實(shí)現(xiàn)充電器的控制功能，添加少量的模擬電路來輔助。這就要求對(duì)控制電路的供電不能中斷，電池組必須一直在線，并且電池負(fù)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(shè)計(jì)，要求精度高并且受溫度影響小。這個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電池電壓對(duì)于GND而言是浮動(dòng)的。很多方案采取了差分運(yùn)放轉(zhuǎn)換到對(duì)地電壓然后輸入專用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個(gè)方案由于引入了差分運(yùn)放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運(yùn)放很難找；其次，運(yùn)放的電源與輸入電壓使用同一個(gè)電源，這樣一來就要求運(yùn)放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個(gè)負(fù)電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運(yùn)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(gòu)造了積分型的ADC，將FPGA定時(shí)的高精度轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量的高精度。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC充電電路（見圖2）。其工作流程是：J1先閉合，釋放C1上的電荷；然后J1打開，由R1對(duì)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(dāng)C1電壓超過V2時(shí)輸出高電平。統(tǒng)計(jì)從J1打開到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^地看出，V1越高，這段時(shí)間越短。

實(shí)際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫出了第一個(gè)電池的測(cè)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，這里用來實(shí)現(xiàn)J1給電容放電的功能，U5同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來自FPGA，X2是開關(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(jì)，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(dá)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?yàn)镃2兩端電壓不能瞬變，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(xì)調(diào)整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關(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(yīng)用中實(shí)際是沒有平衡充電的，如大多數(shù)的筆記本電腦電池組，這樣做實(shí)際上對(duì)電池壽命的影響是相當(dāng)大的。

現(xiàn)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。這種方法最大的問題就是控制起來很復(fù)雜。

現(xiàn)在很多專用芯片或者單片機(jī)解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實(shí)現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個(gè)耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩(wěn)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(dāng)然，這只是一個(gè)示意圖，不包括電流檢測(cè)電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測(cè)電路（變壓器次級(jí)繞組）。其中，開關(guān)陣列是用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)。

這種做法，管子都工作在開關(guān)狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復(fù)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?yàn)殚_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(yīng)管，電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)電路的輸出也轉(zhuǎn)化為開關(guān)量直接傳給FPGA。

充電分為四個(gè)步驟：

a） 檢測(cè)是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對(duì)低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V；

b） 打開J1和J8，對(duì)整體進(jìn)行大電流充電，同時(shí)測(cè)量電池單體的電壓，如果有電池單體達(dá)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(duì)未到4.2V的電池進(jìn)行輪流充電，當(dāng)占空比均下降到5%時(shí)，充電結(jié)束。

這里需要說明的是，a）和d）步驟中輪流充電是通過開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)的，并且輪流充電并不會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，這是因?yàn)榇藭r(shí)的占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25%，可以在一個(gè)充電周期內(nèi)分別給四個(gè)電池充電。

3 過流和低壓保護(hù)

為了保證電池組的絕對(duì)安全，電池組的過流和低壓保護(hù)是獨(dú)立設(shè)置的，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)可直接切斷電池組的輸出，這種類型的電路也非常普遍，這里不再贅述。

另外需要說明的是，控制系統(tǒng)里面也含有非易失存儲(chǔ)器和電池輸出探測(cè)電路，當(dāng)探測(cè)到保護(hù)電路動(dòng)作的時(shí)候，當(dāng)前的信息將保存到非易失存儲(chǔ)器中，以供日后分析。

總結(jié)

多節(jié)鋰電池組成電池組是現(xiàn)在便攜式較大功率設(shè)備的必然選擇，如何管理和維護(hù)這個(gè)電池組使其高效長(zhǎng)壽命地工作也是擺在電子設(shè)計(jì)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(fù)雜的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而簡(jiǎn)化外部電路的設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的充電時(shí)序控制交給可編程邏輯來處理。這樣做不僅非常靈活，精度高，而且還降低了成本。