通過(guò)SMBus編程智能電池充電器

引言

膝上計(jì)算機(jī)領(lǐng)域流行用智能電池，這是因?yàn)橹悄茈姵啬芴峁┍緜€(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、高精度氣壓計(jì)（gasgauge）系統(tǒng)。智能電池符合智能電池供電系統(tǒng)（SBS）所定義的元件所有工作性能指標(biāo)，電池具有跟蹤有關(guān)電池充電和使用信息的嵌入控制器。通過(guò)串行、2線SMBus接口提供信息到系統(tǒng)。可詢問(wèn)電池信息包括剩余容量、總?cè)萘?、在現(xiàn)有放電速率下時(shí)間余、放電電流、終端電壓等。由于大多數(shù)智能電池在總線中可成為主機(jī)，所以電池可控制智能電池充電器使其最佳充電。Linear公司LTC1759智能電池充電器IC設(shè)計(jì)用于控制這類智能電池。另外，由電池提供的安全信號(hào)指示電池是否呈現(xiàn)在系統(tǒng)中和是否有熱引起的告警或在其他系統(tǒng)失效時(shí)是否電池失效。SBS顯著特點(diǎn)是安全、使用容易和兼容性。

SBS規(guī)范允許兩種類型智能電池充電器（SBC）：Level2充電和Level3充電器。Level2充電器（如LTC1759）是SMBus上的從機(jī)，響應(yīng)來(lái)自電池的命令控制充電。Level3充電器可以是SMBus上的主機(jī)或從機(jī)，它可詢問(wèn)電池確定充電信息。SBC與電池化學(xué)類型無(wú)關(guān)。它響應(yīng)來(lái)自電池的命令提供充電電流和充電電壓。電池的零電流（或零電壓）或終止充電報(bào)警形式發(fā)出充電終止。假若安全信號(hào)指標(biāo)電池不存在或安全充電電池太熱，則充電也將終止。

LTC1759是一款完整的Level2智能電池充電器。它能在SMBus接口上用接收和譯碼命令自動(dòng)充電智能電池。LT1759遵從智能電池充電器規(guī)范的全部安全要求，包括3分鐘定時(shí)器（保護(hù)SMBus通信換效和喚醒模式期間鋰離子電池過(guò)充電）。硬件可編程電注和電壓限制提供另外等級(jí)保護(hù)，這種保護(hù)由失效軟件不可能改變。

LTC1579管理智能電池充電系統(tǒng)的所有復(fù)雜事物。它具有SBC依從性、安全、輸出電壓精確、SMBus加速泵、墻式適配器電流限制等特性。它把智能充電器的恒流（CC）、恒壓（CV）、電流模式開關(guān)電池充電器電路融合于一身。

電路描述

LTC1759包括：一個(gè)同步、電流模式、PWM降壓開關(guān)控制器，一個(gè)充電器控制器，兩個(gè)控制充電器參量的10位DAC，一個(gè)熱敏電阻安全信號(hào)譯碼器，硬件電壓和電流限制譯碼器和一個(gè)SMBus控制器單元（見圖1）。

智能電池或系統(tǒng)控制器通過(guò)SMBus接口命令對(duì)恒漢和恒壓限值進(jìn)行編程。降壓變壓器用N-溝MOSFET做為開關(guān)，使成本降低、高效率工作。熱敏電阻安全檢測(cè)電路檢測(cè)電池存在或確定電池溫度是否允許安全充電。

當(dāng)通過(guò)SMBus傳輸接收恒流值時(shí)，它被RILIMIT定標(biāo)和限制到低于編程值。此修正值編程電流DAC，設(shè)置DC充電電流。電流DAC是10位△∑DAC，當(dāng)希望充電電流時(shí)，它從PROG引腳吸收電流（見圖2）。放大器PROG引腳吸收電流（見圖2）。放大器CAI感測(cè)RSENSE上的壓降并使此電壓跨接到RS2（200Ω）；流經(jīng)RS2的電流通過(guò)電流鏡像做為PROG引腳上的上接電流。流經(jīng)RS2電流與來(lái)自PROG引腳電流相匹配由CA2實(shí)現(xiàn)恒流工作。由于DAC輸出是一串脈沖，所以需要平滑電容器對(duì)脈沖濾波使其變?yōu)镈C。

當(dāng)經(jīng)SMBus傳輸接收恒壓值時(shí)，該值由RVLIMIT電阻器定標(biāo)、調(diào)節(jié)以消除補(bǔ)償和限定到低于可編程值。此修值編程電壓DAC，設(shè)置DC充電電壓。電壓DAC激勵(lì)內(nèi)部電壓分壓網(wǎng)絡(luò)的低端。電壓分壓器頂端通過(guò)BAT2引腳直接連接到電池輸出。電壓誤差放大器VA對(duì)VSET引腳上的分壓電池電壓與內(nèi)部精密基準(zhǔn)電壓比較。VA放大器輸出配置成可以激勵(lì)PROG引腳的電流源。PROG引腳是電流和電壓反饋環(huán)路的電流求合結(jié)點(diǎn)。當(dāng)電池電壓超過(guò)編程電壓時(shí)，VA環(huán)路周期挪用電流反饋環(huán)路的控制，迫使充電電流降到維持編程電壓所需的電平。由于△∑DAC輸出是一串脈沖，所以需要一個(gè)平滑網(wǎng)絡(luò)濾波脈沖使其變?yōu)閂SET引腳的DC。電容器C5和C4構(gòu)成電容分壓器，為來(lái)自電池的反饋電壓提供濾波，同時(shí)濾波DAC脈沖。

LTC1759需要兩個(gè)電源。PWM電路在墻式適配器電源斷開時(shí)直接通過(guò)Vcc引腳運(yùn)行，邏輯功能運(yùn)行與VDD電源無(wú)關(guān)。PWM電路在去掉AC電源時(shí)能進(jìn)入40μA微功率停機(jī)模式，使邏輯和SMBus工作能保持運(yùn)行，這是Intel ACPI標(biāo)準(zhǔn)所需要的。這種分離電源也使邏輯和SMBus能根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為員的需要運(yùn)行在3V和5V.為使LTC1759邏輯功耗最小，邏輯電流由時(shí)鐘電路激勵(lì)，時(shí)鐘電路當(dāng)無(wú)動(dòng)作時(shí)停機(jī)并蘇醒服務(wù)于SMBus動(dòng)作或產(chǎn)生中斷。一旦請(qǐng)求服務(wù)，LTC1759便返回到休眠。

當(dāng)去掉AC電源或去掉電池時(shí)，通過(guò)CHGEN-SDB引腳組合發(fā)生PWM停機(jī)。LTC1759通過(guò)DCDIV通腳檢測(cè)AC損耗。閾值通常設(shè)置恰好低于墻式適配的最小有效電壓。AC電源狀態(tài)通過(guò)SMBus可由系統(tǒng)讀出。UV引腳只用于置PWM電路進(jìn)入微功率停機(jī)狀態(tài)，它直接連到墻式適配器電源。

在設(shè)計(jì)中電感器選擇不是關(guān)鍵，這是因?yàn)槌潆娖鞯沫h(huán)路響應(yīng)在意地設(shè)置很慢。實(shí)際的低限值為15μH左右，低值電感器將產(chǎn)生較高的紋波電流，在輸出需要較低ESR電容器。

輸出電容的選擇對(duì)ESR（等效串聯(lián)電阻）不是很苛刻，但必須處理來(lái)自充電器的所有紋波電流。不用考慮電池的紋波電流，因?yàn)槌潆娖饔行ё杩惯h(yuǎn)遠(yuǎn)大于電感器的ESR。很多電池組具有內(nèi)部串聯(lián)保護(hù)MOSFET，這提高了電池ESR。在多電池配置中也有與電池串聯(lián)的功率路由MOSFET，進(jìn)一步增加了電池ESR。從充電器觀點(diǎn)，輸入電容器ESR可高達(dá)1Ω，使電容器選擇范圍寬。當(dāng)采用電阻或電子負(fù)載時(shí)，可能會(huì)發(fā)生某種不穩(wěn)定性。增加300Ω電阻器與PROG引腳電容器串聯(lián)或在輸出置10μF電容器能改善穩(wěn)定性。在輸出不需要用陶瓷電容器，因?yàn)樵诤茌p負(fù)載電流聲頻下開關(guān)變換器變得不連接和在下降周期開始時(shí)電容器會(huì)造成噪聲，應(yīng)該采用鉭電容。輸入電容選擇由充電器輸入紋波電流（一般為最大輸出電流的1/2）決定。對(duì)于4A充電器建議用22μF（50V）陶瓷電容器，它一般可處理2A紋波電流。

從電池到墻式適配器的電流保護(hù)由P-溝MOSFET（Q1）提供。電壓比較器監(jiān)控跨接在MOSFET上的電壓而且當(dāng)墻式適配降到電池電壓之上小于200mV時(shí)關(guān)閉MOSFET。盡管價(jià)廉的二極管可用于替代以MOSFET，但MOSFET只增加100mV到0.4V低壓差工作模式而不產(chǎn)生額外的熱量。在沒(méi)有電池起動(dòng)時(shí)間，采用MOSFET附加二極管使墻式適配器電源能達(dá)到Vcc引腳并為PWM控制電路供電。

主要的補(bǔ)償是d PROG引腳上進(jìn)行；然而DAC脈沖濾波要求確定電容器有效值。脈沖紋波電流必須小平200mV或環(huán)路起伏（在輕載充電電流時(shí)出現(xiàn)的環(huán)路不穩(wěn)定性）。Vc引腳電容器的主要功能是提供自啟動(dòng)支持。必須有一個(gè)1.5K電阻器與Vc引腳電容器串聯(lián)以能恰當(dāng)停機(jī)。

從熱觀點(diǎn)考慮，輸出電壓在電池溫度充電范圍內(nèi)保持大約0.5%精度。精度越高，電流充電容量就越大，而更重要是在電池中與電壓基充電終端電路有關(guān)的問(wèn)題就會(huì)更少。

關(guān)于SMBus加速泵，AC適配電流限制，安全信號(hào)感測(cè)，安全電壓和電流范圍設(shè)計(jì)等問(wèn)題在此就不一一詳述。

結(jié)語(yǔ)

LTC1579遵從智能電池系統(tǒng)組織發(fā)表的智能電池充電器標(biāo)準(zhǔn)。充電器控制器也遵從Intel的ACP標(biāo)準(zhǔn)，甚至當(dāng)沒(méi)有AC墻式適配器電源時(shí)也能響應(yīng)系統(tǒng)指令。該充電器提供最寬的電流和電壓工作范圍。LTC1759具有價(jià)廉、高性能和安全的特點(diǎn)，比其他智能電池充電器優(yōu)越。