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)中的使用越來越普遍，為這些電池充電的創(chuàng)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(tǒng)靈活度，我們可以使用微處理器來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)用工作人員開發(fā)，并經(jīng)過他們的測(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

圖 2 正確對(duì)電池充電的恒流/電壓-反饋電路

圖 3 過壓及反極保護(hù)電路

圖 4 軟件流程圖簡(jiǎn)述

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，則電壓開始上升，并最終