基于智能电池供电的电源系统设计

使用双路智能电池应用而设计的高度集成的3级电池充电器和选择器，采用降压开关拓扑，具有符合智能电池标准定义的多种功能和输入限流、安全限制等新增功能。LTC1760的SMBus接口可以跟踪电池的内部电压和电流，同时允许一个外接的SMBus主机监控任意一个电池的状态。通过SMBus接口，主机系统可获知电池供电系统的工作状态，例如电池组的电压、电流、充电电压、充电电流、电池告警状态，以及使用的外接电源还是电池组供电等。LTC1760的充电精度由电池组内部的电压、电流测量值决定，典型的测量精度误差为±0.2%。双电池系统通常采用顺序放电方式放电，即先消耗电池组1的电量，再消耗电池组2的电量，通过这种方式来简单地延长总的电池放电时间。而LTC1760采用专有的供电路径架构支持两路电池同时充电或放电。典型状态下，可使电池供电时间延长10%，而充电时间可减少50%。LTC1760能够在10 μs内在输入电源之间切换，防止电池或外部电源迁移时供电中断。电池的热敏电阻可以用于监控电池的温度和电池的连接状态。

智能电池系统管理电路在设计中需确定5个关键参数：

　　① 输入限流电阻RCL。用于限制系统充电电流和负载电流之和，不超过外接电源适配器的额定电流。系统中，适配器选择24 V、150 W，额定电流为6 A，RCL的电流ILIM=5.7 A，RCL选择0.018 Ω/1 W的电阻。

　　② 限流电阻RILIM。设定充电器可以供给电池的最大允许电流，任何超过这个限度的值都会被限定值所取代。

　　③ 匹配充电电流检测电阻RSENSE。作用是让充电器的满标度电流与设置满标度限流值同步。在本系统中充电最大电流设定为4 A，RILIM设定为开路，RSENSE使用0.025 Ω/1 W的电阻。

　　④ 限压电阻RVLIM。用于设定充电器可输出的5个限压值中的一个，本系统中充电限制电压设定为16.8 V，因此，RVLIM选择33 kΩ的电阻。

　　⑤ 短路保护电阻RSC。用于设定电路短路保护启动电流。系统中3个电源通路都由2个背对背的P沟道场效应管与短路检测电阻RSC串联。系统中选择RSC=0.012 Ω/1 W。

　　经过智能电池系统管理电路电源路径选择后，+12 V电源产生电路的输入端电压：外接直流电供电时为+24 V。2.3+12 V产生电路电池组供电时，电压可从满电时的+16.8 V逐渐下降到+11.6 V。因此，输入电压的变化范围为+11.6~+24 V。

　　如果使用单一的降压变换电路产生+12 V电路，那么在电池供电过程中，当电池即将放空、电池电压接近或低于12 V时，电路将不能正常工作。此时，电池仍有一定的电量未放出，不能充分利用电池的供电能力。若采用独立的降压-升压或者升压-降压电路进行组合，则在输入电压高于+12 V的大部分工作时间内，电源转换的效率较低，而且电路复杂。本设计中采用SEPIC（SingleEnded Primary Inductance Converter，单端主电感变换器）电路，用LTC1871作为SEPIC控制器。这样，无论在外接电源及电池组电压大于12 V时，还是在电池供电后期，均能产生＋12 V供电电压。

　　SEPIC电路拓扑和电流在开关闭合和断开情况下的流向示意分别如图4（a）～（c）所示。L1和主开关SW构成了一个升压转换器，L2和二极管D1构成升压-降压型转换器。取L1=L2，并将L1和L2绕在同一核心上，可以降低输入纹波、尺寸和成本。在系统中选择L1、L2在同一核心上，并且两者具有相等的电感。

图4 SEPIC电路拓扑和电流流向示意图

　　+12 V电源产生电路如图5所示。输入电压为+10~+24 V，最大负载电流为4 A，输出电压为+12 V。电路启动由负载反馈的12 VON信号控制。10 μF/25 V×2指2个10 μF/25 V的电容并联，68 μF/20 V×4指4个68 μF/20 V的电容并联。（根据参考文献[5]对重要元器件选型参数的计算过程略--编者注。）

图5 +12 V电源产生电路

　　2.4 +5 V后备电源产生电路

　　+5 V后备电源产生电路如图6所示。从+24 V、智能电池组1和智能电池组2获得电源输入，通过降压稳压器LT1912获得+5 V、2 A输出。LT1912输入范围为3.6~36 V，开关频率可在200~500 kHz范围内设置，输出电压0.79~20 V可调，最大输出电流为2 A。在每个输入端串接一个低正向压降的二极管，防止输入电源之间形成回路。

　　结语

　　本文为某便携设备设计了一个可支持外接直流电或使用双电池组供电的电源系统。该系统能够在外接24 V电源、电池组输入之间选择合适的输入，可同时对两组智能电池充电，并能通过SMBus与主机系统通信以交换电源系统的工作状态，对便携设备的电源系统设计具有一定的借鉴作用。