智能电池供电的电源系统设计

引言

    随着信息技术的快速发展，便携设备的种类越来越多，处理能力不断增强，所支持的应用也越来越多。便携设备的一种重要的供电方式是采用电池供电，智能电池在便携设备中得到了广泛的应用。衡量便携设备的一个重要指标是电池供电状态下的工作时间。为了实现某专用便携设备在电池供电方式下可以较长时间地工作，本文设计了一个基于智能电池组的电源系统。该系统可外接直流电或使用双电池组供屯，能够对输入电源进行自动选择；能同时对两组智能电池充电，并通过SMBu(SystemManagement Bus，系统管理总线)与主机系统通信，交互系统的工作状态。

1 电源系统组结构

    电源系统由智能电池系统管理电路，+12 V、4 A电源产生电路，+5 V、2 A后备电源产生电路以及2个智能电池组等组成，如图1所示。电源系统的负载为基于COM Express模块的便携设备。设备要求使用+12 V作为主电源，+5 V作为后备待机电源，设备的最大功耗约为50 W。其中，+12 V主电源需要3 A容量，+5 V后备电源需要1．5 A容量，同时要求电池供电工作时间不小于4 h。+24 V、电池组1和电池组2的输入直接经+5 V后备电源电路产生+5 VSB电源，为在负载休眠状态下仍然工作的部分电路电；3个电源输入经智能电池系统管理电路选择后，在12 VON控制信号控制下通过+12 V电源电路产生负载所需的+12 V电源；智能电池系统管理电路对电池组进行充电／放电管理，并通过SMBus与主机系统交互电池供电状态；系统通过2个智能电池组供电来满足设备长时间电池供电的要求。

2 主要电路设计

2．1 智能电池组

    智能电池组由锂电池组、电池电量计和电池保护电路构成，能利用内部电路来测量、计算和存储电池数据，使电池的使用更加可预测。智能电池组的管理基于SBS(Smart Battery Specification，智能电池规范)V1．1规范。智能电池组的通信使用SMBus总线，通过SMBus向主机或智能充电器提供电池组的最大充电电压、电流、剩余电量、电池温度等参数，并预测剩余工作时间等信息。在过充、过放、温度超标等危险情况下，智能电池组还能自动采取相应的保护措施，并发出警报广播。

    智能电池组结构框图如图2所示。系统中锂电池组由ICR1865电池通过串／并联组合构成。单节ICR1865锂电池的标称电压为3．6 V，标称容量为2Ah，满电电压为4．2 V，放空电压为2．9 V。按照阻容指标一致的原则，以4并4串的形式进行组合，电池组的标称电压为14．4 V，标称容量为8 Ah。采用TI公司的电量计芯片bq20240、电池保护模拟前端芯片bq29330、二级电压保护芯片bq29412以及相应外围器件，构成电池电量计和电池保护电路，实现锂电池组的过压、过流、过放电保护、状态监控、电量测量等功能，通过SMBus总线接口与智能电池系统管理器电路交互电池的状态。

    bq20240集成8位超低功耗的RISC CPU，遵循SBS1．1规范；可灵活配置2节到4节锂电池；可对电压、电流及温度等参数编程；采用动态阻抗跟踪电池电量的算法进行测量，测量精度可达1％；并采用SHA-1加密构架，提高了通信的可靠性和数据的安全性；具有灵活的工作模式，能在电池组库存期间使芯片进入睡眠模式，以降低电池电量消耗。在系统设计时，根据电池组的充放电曲线，将电池组的工作参数写入bq202 40的数据Flash中。

    bq29330能够实现电池过载、充电短路、放电短路保护、电池过／欠压保护功能。电池过载、充电短路、放电短路时，bq29330根据内部配置自动关闭场效应管驱动。主机可通过通信接口监视和控制bq29330的状态和参数(如电池平衡、电流保护级别等)。通过I2C接口使能电池均衡后，在充电过程中bq29330检测每节电池的电压，将较高电压电池的电流部分分流，使它的充电速度比其他电池慢，以达到电池间充电时间的平衡；在放电过程中，增加较高电压电池的有效负载，使它的放电速度比其他电池快，从而使每节电池的容量保持一致。

    bq29412提供电池电压二级保护功能，电池组中的每节电池均和芯片内部的参考电压比较，只要有一节电池电压达到过压条件，就启动保护流程；延时到设定时间后仍然过压，输出引脚产生一个低电平到高电平的跳变，推动外部连接的场效应管，熔断保险丝，保证在过电压状态下电池组安全。

2．2 智能电池系统管理电路

    智能电池系统管理电路实现直流输入与智能电池组输入之间、两个智能电池组之间的电源路径选择，智能电池组的充电管理以及与主机系统之间的通信交互功能。智能电池系统管理电路如图3所示。