隨著鋰離子化學電池在各種電子產(chǎn)品設計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方面,，包括旨在提高充電速率和電池壽命的獨特充電算法,。這種方法還能夠允許更高電壓的電池組實施。
本文將介紹如何利用一顆微處理器來控制一個寬輸入電壓DC/DC 控制器的功率級板,。這種解決方案可支持高達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10A 的輸出電流,。本文中所討論的硬件和軟件均由TI 應用工作人員開發(fā),，并經(jīng)過他們的測試，目的是讓客戶能夠快速地進行解決方案原型機制造,。
為了易于開發(fā),，我們將電池充電器分解為兩個單獨的板：微處理器控制器板和DC/DC-轉(zhuǎn)換器功率級板（請參見圖1）。正負電池端均連接至功率級板,，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，之后將兩個脈寬調(diào)制(PWM) 信號發(fā)送給DC/DC-轉(zhuǎn)換器功率級板,，以設置實際輸出電壓和電流,。
為了能夠使用標準寬輸入電壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器，功率級板設計有一個特殊的反饋電路（請參見圖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充電電流進行限制,。當達到最大電壓時,，充電電壓便保持恒定，從而讓充電電流逐漸減少,，直到認為電池獲得完全充電為止,。這時，PWM 輸出信號便關(guān)閉,。
初始電流限制充電速率有兩個電流電平,。當電池過度放電時，在電池電壓達到某個足夠安全的級別來接受標準充電速率以前,，將一直使用很低的充電速率來進行充電,。
在如圖2 所示反饋電路中，U3:B 將PWM-電流基準電壓(I_PWM1) 同提供給電池的測量電流(ISNS1) 進行對比,。如果PWM 基準電壓高于測量電流,，則放大器輸出為高。如果基準電壓較低，則放大器輸出為低,。
一個電阻分壓器（R30 和R34）用于測量U3:A 的VBATT1 輸入端的輸出電壓,。我們將該電壓同PWM-輸出基準電壓(V_PWM1) 進行對比。如果該基準電壓更高,，則放大器輸出為高,。如果基準電壓更低，則放大器輸出為低,。最大輸出電壓可由式(1)表示：
(1)
圖1 寬輸入電壓智能電池充電器的高級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2 正確對電池充電的恒流/電壓-反饋電路
圖3 過壓及反極保護電路
圖4 軟件流程圖簡述
D1 二極管將兩個放大器輸出與一個邏輯OR 組合,。最低電壓供給反相放大器（U3:D），其讓誤差信號極性在使用DC/DC 控制器（這里為TI 的TPS40170）時為正確的,?；竟ぷ髟硎牵嚎刂破鲊L試發(fā)送一個設定電流；同時,，如果負載可以接受該電流,，則控制器便調(diào)節(jié)為該電流級別。如果負載不接受全部電流,，則電壓開始上升,，并最終達到VOUT（max）。當出現(xiàn)這種情況時,，電壓環(huán)路接管,，并對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。
若想提高解決方案的安全性,，功率級板上還要有過電壓狀態(tài)（高達100V）和反向電壓連接（其正負極被交換）的保護電路,。圖3 顯示了這種電路。
輸入電壓反接時,，反向電壓保護由MOSFETs Q7 和Q9 以及D2 來提供,。這樣便不允許對系統(tǒng)施加負電壓,。輸入過電壓保護由MOSFET Q8 和Q10 提供,。齊納二極管D4，設置電路開始鉗位的電壓,。一旦超出齊納電壓,，F(xiàn)ET 的柵-源電壓便開始下降。這使FET工作在線性區(qū)域,，并讓微處理器繼續(xù)得到供電,。與此同時，DC/DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉,，而信號SD1和SD2被拉至接地,。
軟件實施與硬件實施同等重要。簡要軟件流程圖已顯示在圖4 中,。微處理器通過SMBus 詢問電池,，請求其想要的充電電壓和電流,。在確認這些值以后，它便設置兩個PWM 輸出,，以對到達電池的輸出電壓和電流進行調(diào)節(jié),。如果在任何時候，電池發(fā)布了一條充電警告,，則PWM 輸出關(guān)閉,。另外，一旦電池的充電狀態(tài)達到100% 或者設置的完全充電位,，則PWM 輸出關(guān)閉,。
電池充電期間，安全是最重要的問題,。所有解決方案都應該有數(shù)個保護層,。第一個保護層是具有內(nèi)部保護MOSFET 的智能電池本身。在充電期間,，微處理器應定期（每隔2 秒鐘較好）與電池通信,，對“電池狀態(tài)”寄存器中的所有安全標志進行監(jiān)控。要求響應的一些標志位包括過充電警告(OCA),、終止充電警告(TCA),、超高溫警告(OTA)，以及完全充電(FC) 狀態(tài),。微處理器的板上模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，可用作過電壓或者過電流事件的二次檢查。
結(jié)論
通過將一顆微處理器與一個寬輸入電壓DC/DC 控制器配合使用,，我們可以設計出一種完全可編程,、寬輸入電壓電池充電器。本文為你介紹了一種解決方案,，其使用TI 的低功耗MSP430F5510 微處理器,，配合TPS40170 DC/DC 控制器，構(gòu)建起一種能夠支持高達55V 輸入電壓的結(jié)構(gòu),。文章描述了一種TI 應用工作人員為實施正確電池充電而開發(fā)的特殊反饋網(wǎng)絡,。另外，我們還討論了一種用于過電壓保護和反向電壓保護的新穎解決方案,。通過SMBus 通信協(xié)議與智能電池進行通信所需的軟件,，可通過“參考文獻1”（一份應用報告）中的鏈接下載到。SMBus 智能電池充電器的相關(guān)詳情,，也可在“參考文獻1”中找到,。
參考文獻
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文獻,標題 TI Lit. #
1、Abhishek A. Joshi,Keith J. Keller.《應用報告》的“使用MSP430™ MCU和bq電量計之間SMBus通信接口的寬輸入電壓電池充電器”.