基于可編程邏輯的便攜式設(shè)備多節(jié)鋰電池管理

　　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，移動性能越來越強(qiáng)，電池的缺點也不斷被克服。本文就將介紹一個便攜式鋰聚合物電池的管理系統(tǒng)設(shè)計。

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　本設(shè)計的應(yīng)用實體是一個工業(yè)上使用的便攜式設(shè)備，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II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。這個設(shè)備需要30V直流電壓，所以計劃使用4個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，對外只使用一個方形的USB接口（USB B Type Socket），這個USB口同時兼具數(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，使用一個升壓DC/DC電路，這個電路由控制核心操縱，平時是不工作的，只在需要動作之前開啟。

　　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共用一個端口，為了避免接入普通USB時進(jìn)入充電程序，需要一個電壓判斷電路進(jìn)行判斷。

　　由于合乎需要的芯片解決方案市場上很難尋覓，決定使用FPGA的剩余邏輯資源來實現(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，要求精度高并且受溫度影響小。這個設(shè)計難點在于電池電壓對于GND而言是浮動的。很多方案采取了差分運放轉(zhuǎn)換到對地電壓然后輸入專用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個方案由于引入了差分運放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運放很難找；其次，運放的電源與輸入電壓使用同一個電源，這樣一來就要求運放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個負(fù)電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運放及使用匹配的電阻使得精度降低。

　　圖2 RC充電電路

　　為了盡量簡化電路，這里構(gòu)造了積分型的ADC，將FPGA定時的高精度轉(zhuǎn)化為電壓測量的高精度。

　　這是一個簡單的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時輸出高電平。統(tǒng)計從J1打開到U1輸出高電平之間的時間，便可以確定V1的電壓大小?？梢灾庇^地看出，V1越高，這段時間越短。

　　實際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫出了第一個電池的測量電路。其中，R1與C1便是積分使用的電阻與電容，Q1是常用的P-MOSFET，這里用來實現(xiàn)J1給電容放電的功能，U5同時實現(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 實際取樣電路圖

　　這個電路在靜態(tài)時僅僅消耗MAX921的4μA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計，非常省電。

　　這個電路另外一個特色是省掉了經(jīng)常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態(tài)時，C2兩端達(dá)到電壓平衡，不消耗電能，此時，X2電壓為0。U5輸出高電平時，因為C2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個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，這樣做實際上對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現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個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 實際充電方式圖

　　實際使用的充電方式如圖4所示，當(dāng)然，這只是一個示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開關(guān)陣列是用功率MOSFET實現(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，因為開關(guān)頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。

　　整個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直接控制場效應(yīng)管，電流檢測和電壓檢測電路的輸出也轉(zhuǎn)化為開關(guān)量直接傳給FPGA。

　　充電分為四個步驟：

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

　　b) 打開J1和J8，對整體進(jìn)行大電流充電，同時測量電池單體的電壓，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，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)矩陣實現(xiàn)的，并且輪流充電并不會延長充電時間，這是因為此時的占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25%，可以在一個充電周期內(nèi)分別給四個電池充電。

　　3 過流和低壓保護(hù)

　　為了保證電池組的絕對安全，電池組的過流和低壓保護(hù)是獨立設(shè)置的，當(dāng)出現(xiàn)問題時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器和電池輸出探測電路，當(dāng)探測到保護(hù)電路動作的時候，當(dāng)前的信息將保存到非易失存儲器中，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)這個電池組使其高效長壽命地工作也是擺在電子設(shè)計師面前的任務(wù)。

　　本文提供了一個新思路，即采用簡單而精確的電路，將復(fù)雜的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而簡化外部電路的設(shè)計，把復(fù)雜的充電時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。