隨著鋰離子化學電池在各種電子產品設計中的使用越來越普遍，為這些電池充電的創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，并經過他們的測試，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，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送給微處理器，之后將兩個脈寬調制 (PWM) 信號發送給DC/DC-轉換器功率級板，以設置實際輸出電壓和電流。
圖 1 寬輸入電壓智能電池充電器的高級系統結構圖
為了能夠使用標準寬輸入電壓 DC/DC 轉換器，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 輸出信號便關閉。
圖 2 正確對電池充電的恒流/電壓-反饋電路
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。最大輸出電壓可由如下方程式表示：
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。基本工作原理是：控制器嘗試發送一個設定電流；同時，如果負載可以接受該電流，則控制器便調節為該電流級別。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）。當出現這種情況時，電壓環路接管，并對輸出電壓進行調節。
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（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。
圖 3 過壓及反極保護電路
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，FET 的柵-源電壓便開始下降。這使FET工作在線性區域，并讓微處理器繼續得到供電。與此同時，DC/DC轉換器關閉，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節。如果在任何時候，電池發布了一條充電警告，則 PWM 輸出關閉。另外，一旦電池的充電狀態達到 100% 或者設置的完全充電位，則 PWM 輸出關閉。
圖 4 軟件流程圖簡述
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個保護層。第一個保護層是具有內部保護 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”寄存器中的所有安全標志進行監控。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。微處理器的板上模數轉換器，可用作過電壓或者過電流事件的二次檢查。
結論
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，構建起一種能夠支持高達 55V 輸入電壓的結構。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的特殊反饋網絡。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。 |
