精密智能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       智能電池系統(tǒng)（sbs）的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了獨(dú)立電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此其應(yīng)用已經(jīng)超出了筆記本計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，而出現(xiàn)在其他各種應(yīng)用中，比如備份電源系統(tǒng)、高可靠性軍事和航天應(yīng)用中。其他關(guān)鍵應(yīng)用還包括了汽車(chē)、安全/監(jiān)視/防偽系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、刀片服務(wù)器、電信和便攜式電子產(chǎn)品。

      智能電池利用內(nèi)部電子線路來(lái)測(cè)量、計(jì)算和存儲(chǔ)電池?cái)?shù)據(jù)，它使電源的使用更加可預(yù)測(cè)。而且，智能電池還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，那就是能防止意外的系統(tǒng)停機(jī)。

 智能電池系統(tǒng)

     一個(gè)基本的sbs系統(tǒng)由以下部分組成：系統(tǒng)管理總線（smbus），智能電池充電器和智能電池。

     sbs的模塊化特性使設(shè)計(jì)閉環(huán)電池充電系統(tǒng)變的非常容易，這樣的系統(tǒng)允許采用電池組獨(dú)立充電器（智能充電器），最大限度地降低了硬件和軟件的非重復(fù)工程（nre）性成本，并促成了堅(jiān)固的系統(tǒng)，這對(duì)高可靠性電池備份應(yīng)用尤其重要。而集成到電池組中的高準(zhǔn)確度氣壓計(jì)則能一直準(zhǔn)確地監(jiān)視電池，甚至電池不在系統(tǒng)中時(shí)也一樣。該氣壓計(jì)按照電池的實(shí)際容量值進(jìn)行了校準(zhǔn)，因此消除了偏差，確保了準(zhǔn)確度。

智能電池的充電和保護(hù)

     智能電池充電器的主要功能是為智能電池充電提供電壓源和電流源。智能電池通過(guò)smbus接口與智能充電器通信，并可選擇與主機(jī)通信。為了防止由于smbus功能喪失而過(guò)充電，監(jiān)視計(jì)時(shí)器持續(xù)運(yùn)行以監(jiān)視智能電池與充電器的通話頻度。如果電池?zé)o動(dòng)作的時(shí)間超過(guò)3分鐘，那么充電器就暫停并等待電池再次請(qǐng)求充電。此外，電池還可以通過(guò)強(qiáng)制停機(jī)功能來(lái)控制充電器，這樣可以繞過(guò)smbus，以提供冗余級(jí)別并讓充電器知道電池是確實(shí)存在的。

圖1 ltc1760用于雙電池系統(tǒng)

     總之，與固定獨(dú)立充電器相比，智能電池充電器有如下優(yōu)點(diǎn)。

     ① 真正即插即用，不受電池化學(xué)特性和電池配置影響。任何智能電池組都可與任何智能電池充電器配合。具有不同化學(xué)特性、配置，甚至不同充電算法的電池都可以不加修改換用充電器電路。
    ② 內(nèi)置安全功能。sbs標(biāo)準(zhǔn)提供監(jiān)視計(jì)時(shí)器和一個(gè)處在電池和充電器之間的特別“安全信號(hào)”接口。
    ③ 可靠的電池檢測(cè)系統(tǒng)。
    ④ 自動(dòng)充電管理，無(wú)須主機(jī)。
    ⑤ 無(wú)須主機(jī)干預(yù)的閉環(huán)充電系統(tǒng)。主機(jī)可根據(jù)需要收集電量測(cè)量信息。

ltc1760雙智能電池系統(tǒng)管理器

    ltc1760是一個(gè)高度集成的三級(jí)電池充電器和選擇器，用于使用雙智能電池的產(chǎn)品。它是一個(gè)降壓開(kāi)關(guān)拓?fù)潆姵爻潆娖?，具有符合智能電池?biāo)準(zhǔn)定義的多種功能和其他新增功能，如輸入限流和安全限制，等等。三個(gè)smbus接口使ltc1760能實(shí)現(xiàn)諸如跟蹤兩個(gè)電池的內(nèi)部電壓和電流之類(lèi)的伺服功能，并允許一個(gè)smbus主機(jī)監(jiān)視任一電池的狀態(tài)。這種伺服技術(shù)能使充電器的準(zhǔn)確度同電池內(nèi)部電壓和電流測(cè)量值只有±0.2％的誤差。

    傳統(tǒng)上，雙電池系統(tǒng)是順序放電系統(tǒng)，允許順序消耗電池電量（先消耗電池1，再消耗電池2），以簡(jiǎn)單地延長(zhǎng)總的電池工作時(shí)間。ltc1760采用了專(zhuān)有模擬控制技術(shù)，可允許安全地對(duì)兩個(gè)電池并行充電或放電。圖1是一個(gè)采用ltc1760的雙電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。這種結(jié)構(gòu)使充電速度提高了50%，電池工作時(shí)間延長(zhǎng)了10%。此外，并行放電不僅增強(qiáng)了電流能力，而且還降低了i2r損耗并改善了在極高負(fù)載條件下的電壓調(diào)節(jié)能力。降低i2r損耗和改善電壓調(diào)節(jié)都延長(zhǎng)了時(shí)序解決方案的總放電時(shí)間（見(jiàn)圖2）。

圖2 雙電池順序電池充電時(shí)間的對(duì)比

圖3 ltc1760雙電池充電器/選擇器系統(tǒng)架構(gòu)

● ltc1760的主要特點(diǎn)

    ① 獨(dú)立3級(jí)充電器輪詢(xún)電池的充電要求并監(jiān)視由電池內(nèi)部電量測(cè)量所確定的實(shí)際電流和電壓（誤差為±0.2%），實(shí)現(xiàn)快速、安全和徹底地充電。
    ② 快速充電模式可以用來(lái)進(jìn)一步縮短充電時(shí)間。
    ③ 支持電池查驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)氣壓計(jì)校準(zhǔn)。
    ④ 3個(gè)電源通路fet二極管允許安全和低損耗地從dcin和兩個(gè)電池同時(shí)放電。
    ⑤ 兩個(gè)fet二極管實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電池同時(shí)安全、低損耗地放電。
    ⑥ 硬件可編程電流和電壓安全限制以及很多其他安全功能用以補(bǔ)充電池的內(nèi)部保護(hù)電路。
ltc1760雖然很精密，但是非常容易使用。在任何給定設(shè)計(jì)中僅需確定4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：輸入限流檢測(cè)電阻ricl，限流電阻rilim和匹配充電電流檢測(cè)電阻rsense，限壓電阻rvlim，短路保護(hù)電阻rsc。
ltc1760加上一些智能電池和一個(gè)ac適配器，就可組成一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

● 輸入限流檢測(cè)電阻rcl

    如圖4所示，這個(gè)電路限制充電電流以防止系統(tǒng)功率升高時(shí)交流適配器過(guò)載。要設(shè)定輸入電流限制，最重要的就是要最小化墻式配適器的額定電流。限流電阻可以通過(guò)下兩式來(lái)計(jì)算。
ilim＝適配器最小電流值－（適配器最小電流值×5％）（1）
rcl＝100mv/ilim（2）
不過(guò)，交流適配器可以有至少+10%的限流裕度，因此常?？梢院?jiǎn)單地將適配器限流值設(shè)定為實(shí)際適配器額定值。

圖4 輸入限流感應(yīng)電阻電路

● 限流電阻rilim

     rilim電阻有兩個(gè)作用。首先，它告訴ltc1760的smbus接口，充電器可以供給電池的最大可允許電流，任何超過(guò)這個(gè)限度的值都會(huì)被限定值所取代。第二個(gè)作用是讓pwm充電器的滿(mǎn)標(biāo)度電流與smbus接口的滿(mǎn)標(biāo)度限流值同步。

● 限壓電阻rvlim

    vlim引腳到gnd之間連接的外部電阻值可以決定5個(gè)充電器輸出限壓值中的任一個(gè)（見(jiàn)表3）。這種用硬件實(shí)現(xiàn)限壓值的方法是一種比較安全的措施，它是不能被軟件方式所取代的。

● 短路保護(hù)電阻rsc

    每條電源通路都由兩個(gè)背對(duì)背的pfet組成，這兩個(gè)pfet與短路檢測(cè)電阻rsc串聯(lián)。電池電源通路（powerpathtm）開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器等效電路如圖 5 所示。

圖5 ltc1760電源通路電路

     短路保護(hù)功能可在電流模式和電壓模式下工作。如果輸出電流超過(guò)短路比較器門(mén)限的時(shí)間多于15ms，那么就斷開(kāi)所有電源通路pfet開(kāi)關(guān)，并將power_not_good位置位。類(lèi)似地，如果電壓降至低于3v的時(shí)間多于15ms，那么也將斷開(kāi)所有電源通路開(kāi)關(guān)，power_not_good位同樣被置位。去掉所有電源可將power_not_good位復(fù)位。如果power_not_good位被置位，那么充電也被禁止。

● 無(wú)須軟件

      基于ltc1760的充電器無(wú)須軟件。在一開(kāi)始的硬件樣機(jī)中放入該集成電路將允許系統(tǒng)獲得電池的充放電。不過(guò)在某些情況下，可以編寫(xiě)一些軟件以便主機(jī)能夠完成以下動(dòng)作。
    ① 直接從智能電池（也就是作為氣壓計(jì)）收集“充電器狀態(tài)”信息；
    ② 支持電池查驗(yàn)。

結(jié)論

   智能電池系統(tǒng)提供先進(jìn)的功能，只需最低限度的設(shè)計(jì)工作。ltc1760是非常全面的單芯片雙智能電池系統(tǒng)的代表，簡(jiǎn)單易用，僅需要確定4個(gè)參數(shù)就能完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，而且不需要軟件代碼。該器件僅需最低限度的nre工作，就可組成一個(gè)完整的獨(dú)立電池充電器系統(tǒng)并正常工作。智能

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