基于可编程逻辑的便携式设备多节锂聚合物电池管理

便携式设备的便携性是与电池的发展息息相关的，从最初的铅酸电池、镍镉（Ni-Cd）电池发展到镍氢（Ni-H）、锂离子（Li-ion）电池一直到最近的锂聚合物（Li-polymer）电池，能量密度逐步提高，移动性能越来越强，电池的缺点也不断被克服。本文就将介绍一个便携式锂聚合物电池的管理系统设计。

系统整体结构
本设计的应用实体是一个工业上使用的便携式设备，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式处理器，并使用USB接口与电脑相连接，面向的是大数据量应用。这个设备需要30V直流电压，所以计划使用4个1000mAh锂聚合物电池串联的电池组；另外，出于防水防尘的考虑，对外只使用一个方形的USB接口（USB B Type Socket），这个USB口同时兼具数据传输和充电的功能。

整体结构如图1所示。控制核心包括FPGA及其所连的接口、显示电路，需要3.3V的低电压，由高效率的DC/DC芯片从4芯锂电池组直接降压得到。这个电压很重要，所以需要保持稳定且连续，除非电池组低电量或者过流保护，否则此电压一直供给。

图1 系统整体结构框图

执行机构需要30V直流电压，电流大约80mA左右，使用一个升压DC/DC电路，这个电路由控制核心操纵，平时是不工作的，只在需要动作之前开启。

充电使用外部20V电源，通过USB接口连接。使用这种电源的考虑是为了进行1C或0.5C大电流高速充电。由于与普通USB共用一个端口，为了避免接入普通USB时进入充电程序，需要一个电压判断电路进行判断。
由于合乎需要的芯片解决方案市场上很难寻觅，决定使用FPGA的剩余逻辑资源来实现充电器的控制功能，添加少量的模拟电路来辅助。这就要求对控制电路的供电不能中断，电池组必须一直在线，并且电池负极需要一直与GND连接。

电池电路
1 电压采样
最重要的部分就是电压采样电路的设计，要求精度高并且受温度影响小。这个设计难点在于电池电压对于GND而言是浮动的。很多方案采取了差分运放转换到对地电压然后输入专用ADC进行AD变换的方案。但这个方案由于引入了差分运放，产生了许多问题。首先，电压比较高，运放很难找；其次，运放的电源与输入电压使用同一个电源，这样一来就要求运放需要轨到轨输入的功能；再次，可能还需要一个负电源，使用DC/DC又引入了噪声；另外，运放及使用匹配的电阻使得精度降低。

图2 RC充电电路

为了尽量简化电路，这里构造了积分型的ADC，将FPGA定时的高精度转化为电压测量的高精度。
这是一个简单的RC充电电路（见图2）。其工作流程是：J1先闭合，释放C1上的电荷；然后J1打开，由R1对C1进行充电；电压比较器U1将C1上的电压与参考电压V2比较，当C1电压超过V2时输出高电平。统计从J1打开到U1输出高电平之间的时间，便可以确定V1的电压大小。可以直观地看出，V1越高，这段时间越短。
实际的电路如图3所示，注意这幅图只画出了第一个电池的测量电路。其中，R1与C1便是积分使用的电阻与电容，Q1是常用的P-MOSFET，这里用来实现J1给电容放电的功能，U5同时实现电压基准与电压比较器双重功能。X1是放电控制，来自FPGA，X2是开关量输出，去往FPGA。电压比较器选用的是美信公司的MAX921。

图3 实际取样电路图