微处理器控制、宽输入电压、SMBus 智能电池充电器的实施

作者：Keith Keller，TI 模拟现场应用/电源管理部

随着锂离子化学电池在各种电子产品设计中的使用越来越普遍，为这些电池充电的创新解决方案变得越来越必不要少。为了获得最大程度的系统灵活度，我们可以使用微处理器来控制电池充电的各个方面，包括旨在提高充电速率和电池寿命的独特充电算法。这种方法还能够允许更高电压的电池组实施。

本文将介绍如何利用一颗微处理器来控制一个宽输入电压 DC/DC 控制器的功率级板。这种解决方案可支持高达 55V 的输入电压；5V 到 51V 范围的电池充电电压；以及在大多数情况下高达 10A 的输出电流。本文中所讨论的硬件和软件均由 TI 应用工作人员开发，并经过他们的测试，目的是让客户能够快速地进行解决方案原型机制造。

为了易于开发，我们将电池充电器分解为两个单独的板：微处理器控制器板和DC/DC-转换器功率级板（请参见图 1）。正负电池端均连接至功率级板，而系统管理总线 (SMBus) 通信线则连接至微处理器板。智能电池将我们想要的充电电压和电流信息发送给微处理器，之后将两个脉宽调制 (PWM) 信号发送给DC/DC-转换器功率级板，以设置实际输出电压和电流。

为了能够使用标准宽输入电压 DC/DC 转换器，功率级板设计有一个特殊的反馈电路（请参见图 2），以正确地控制电池充电。微处理器遵循的充电序列是，在电池电压接近其规定最大电压以前一直对充电电流进行限制。当达到最大电压时，充电电压便保持恒定，从而让充电电流逐渐减少，直到认为电池获得完全充电为止。这时，PWM 输出信号便关闭。

初始电流限制充电速率有两个电流电平。当电池过度放电时，在电池电压达到某个足够安全的级别来接受标准充电速率以前，将一直使用很低的充电速率来进行充电。

在如图 2 所示反馈电路中，U3:B 将 PWM-电流基准电压 (I_PWM1) 同提供给电池的测量电流 (ISNS1) 进行对比。如果 PWM 基准电压高于测量电流，则放大器输出为高。如果基准电压较低，则放大器输出为低。

一个电阻分压器（R30 和 R34）用于测量 U3:A 的 VBATT1 输入端的输出电压。我们将该电压同PWM-输出基准电压 (v_PWM1) 进行对比。如果该基准电压更高，则放大器输出为高。如果基准电压更低，则放大器输出为低。最大输出电压可由如下方程式表示：


图 1 宽输入电压智能电池充电器的高级系统结构图

图 2 正确对电池充电的恒流/电压-反馈电路


图 3 过压及反极保护电路


图 4 软件流程图简述

D1 二极管将两个放大器输出与一个逻辑 OR 组合。最低电压供给反相放大器（u3:d），其让误差信号极性在使用 DC/DC 控制器（这里为 TI 的 TPS40170）时为正确的。基本工作原理是：控制器尝试发送一个设定电流；同时，如果负载可以接受该电流，则控制器便调节为该电流级别。如果负载不接受全部电流，则电压开始上升，并最终达到 VOUT（max）。当出现这种情况时，电压环路接管，并对输出电压进行调节。

若想提高解决方案的安全性，功率级板上还要有过电压状态（高达100V）和反向电压连接（其正负极被交换）的保护电路。图 3 显示了这种电路。

输入电压反接时，反向电压保护由 MOSFETs Q7 和 Q9 以及 D2 来提供。这样便不允许对系统施加负电压。输入过电压保护由 MOSFET Q8 和 Q10 提供。齐纳二极管 D4，设置电路开始钳位的电压。一旦超出齐纳电压，FET 的栅-源电压便开始下降。这使FET工作在线性区域，并让微处理器继续得到供电。与此同时，DC/DC转换器关闭，而信号SD1和SD2被拉至接地。

软件实施与硬件实施同等重要。简要软件流程图已显示在图 4 中。微处理器通过 SMBus 询问电池，请求其想要的充电电压和电流。在确认这些值以后，它便设置两个 PWM 输出，以对到达电池的输出电压和电流进行调节。如果在任何时候，电池发布了一条充电警告，则 PWM 输出关闭。另外，一旦电池的充电状态达到 100% 或者设置的完全充电位，则 PWM 输出关闭。

电池充电期间，安全是最重要的问题。所有解决方案都应该有数个保护层。第一个保护层是具有内部保护 MOSFET 的智能电池本身。在充电期间，微处理器应定期（每隔 2 秒钟较好）与电池通信，对“电池状态”寄存器中的所有安全标志进行监控。要求响应的一些标志位包括过充电警告 (OCA)、终止充电警告 (TCA)、超高温警告 (OTA)，以及完全充电 (FC) 状态。微处理器的板上模数转换器，可用作过电压或者过电流事件的二次检查。

结论

通过将一颗微处理器与一个宽输入电压 DC/DC 控制器配合使用，我们可以设计出一种完全可编程、宽输入电压电池充电器。本文为你介绍了一种解决方案，其使用 TI 的低功耗 MSP430F5510 微处理器，配合 TPS40170 DC/DC 控制器，构建起一种能够支持高达 55V 输入电压的结构。文章描述了一种 TI 应用工作人员为实施正确电池充电而开发的特殊反馈网络。另外，我们还讨论了一种用于过电压保护和反向电压保护的新颖解决方案。通过 SMBus 通信协议与智能电池进行通信所需的软件，可通过“参考文献1”（一份应用报告）中的链接下载到。SMBus 智能电池充电器的相关详情，也可在“参考文献 1”中找到。

参考文献

如欲了解更多本文相关信息，敬请访问www.ti.com/lit/litnumber并用具体的TI Lit. #替换“litnumber”，以便下载Acrobat® Reader®文件，获取下面所列资料。
文献,标题    TI Lit. #
1、《应用报告》的“使用MSP430™ MCU和bq电量计之间SMBus通信接口的宽输入电压电池充电器”，作者：Abhishek A. Joshi和Keith J. Keller