基于智能電池供電的電源系統(tǒng)設計

引言

　　隨著信息技術的快速發(fā)展，便攜設備的種類越來越多，處理能力不斷增強，所支持的應用也越來越多。便攜設備的一種重要的供電方式是采用電池供電，智能電池在便攜設備中得到了廣泛的應用。衡量便攜設備的一個重要指標是電池供電狀態(tài)下的工作時間。為了實現(xiàn)某專用便攜設備在電池供電方式下可以較長時間地工作，本文設計了一個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，能夠對輸入電源進行自動選擇；能同時對兩組智能電池充電，并通過SMBus（System Management Bus，系統(tǒng)管理總線）與主機系統(tǒng)通信，交互系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　1 電源系統(tǒng)組結構

　　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個智能電池組等組成，如圖1所示。電源系統(tǒng)的負載為基于COM Express模塊的便攜設備。設備要求使用+12 V作為主電源，+5 V作為后備待機電源，設備的最大功耗約為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，同時要求電池供電工作時間不小于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，為在負載休眠狀態(tài)下仍然工作的部分電路供電；3個電源輸入經(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)生負載所需的+12 V電源；智能電池系統(tǒng)管理電路對電池組進行充電/放電管理，并通過SMBus與主機系統(tǒng)交互電池供電狀態(tài)；系統(tǒng)通過2個智能電池組供電來滿足設備長時間電池供電的要求。

　　2 主要電路設計

　　2.1 智能電池組

　　智能電池組由鋰電池組、電池電量計和電池保護電路構成，能利用內(nèi)部電路來測量、計算和存儲電池數(shù)據(jù)，使電池的使用更加可預測。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)，并預測剩余工作時間等信息。在過充、過放、溫度超標等危險情況下，智能電池組還能自動采取相應的保護措施，并發(fā)出警報廣播。

　　智能電池組結構框圖如圖2所示。系統(tǒng)中鋰電池組由ICR1865電池通過串/并聯(lián)組合構成。單節(jié)ICR1865鋰電池的標稱電壓為3.6 V，標稱容量為2 Ah，滿電電壓為4.2 V，放空電壓為2.9 V。按照阻容指標一致的原則，以4并4串的形式進行組合，電池組的標稱電壓為14.4 V，標稱容量為8 Ah。采用TI公司的電量計芯片bq20z40、電池保護模擬前端芯片bq29330、二級電壓保護芯片bq29412以及相應外圍器件，構成電池電量計和電池保護電路，實現(xiàn)鋰電池組的過壓、過流、過放電保護、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；采用動態(tài)阻抗跟蹤電池電量的算法進行測量，測量精度可達1%；并采用SHA1加密構架，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入睡眠模式，以降低電池電量消耗。在系統(tǒng)設計時，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能夠實現(xiàn)電池過載、充電短路、放電短路保護、電池過/欠壓保護功能。電池過載、充電短路、放電短路時，bq29330根據(jù)內(nèi)部配置自動關閉場效應管驅動。主機可通過通信接口監(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，以達到電池間充電時間的平衡；在放電過程中，增加較高電壓電池的有效負載，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)電池電壓達到過壓條件，就啟動保護流程；延時到設定時間后仍然過壓，輸出引腳產(chǎn)生一個低電平到高電平的跳變，推動外部連接的場效應管，熔斷保險絲，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)管理電路實現(xiàn)直流輸入與智能電池組輸入之間、兩個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用而設計的高度集成的3級電池充電器和選擇器，采用降壓開關拓撲，具有符合智能電池標準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，同時允許一個外接的SMBus主機監(jiān)控任意一個電池的狀態(tài)。通過SMBus接口，主機系統(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間。而LTC1760采用專有的供電路徑架構支持兩路電池同時充電或放電。典型狀態(tài)下，可使電池供電時間延長10%，而充電時間可減少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)管理電路在設計中需確定5個關鍵參數(shù)：

　　① 輸入限流電阻RCL。用于限制系統(tǒng)充電電流和負載電流之和，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。設定充電器可以供給電池的最大允許電流，任何超過這個限度的值都會被限定值所取代。

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

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

　?、?短路保護電阻RSC。用于設定電路短路保護啟動電流。系統(tǒng)中3個電源通路都由2個背對背的P溝道場效應管與短路檢測電阻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：外接直流電供電時為+24 V。2.3+12 V產(chǎn)生電路電池組供電時，電壓可從滿電時的+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，當電池即將放空、電池電壓接近或低于12 V時，電路將不能正常工作。此時，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。若采用獨立的降壓-升壓或者升壓-降壓電路進行組合，則在輸入電壓高于+12 V的大部分工作時間內(nèi)，電源轉換的效率較低，而且電路復雜。本設計中采用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，還是在電池供電后期，均能產(chǎn)生＋12 V供電電壓。

　　SEPIC電路拓撲和電流在開關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SW構成了一個升壓轉換器，L2和二極管D1構成升壓-降壓型轉換器。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。