基于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电，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SMBus（System Management 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供电；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2 Ah，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bq20z40、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。

　　bq20z40集成8位超低功耗的RISC CPU，遵循SBS 1.1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SHA1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bq20z40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。选用Linear Technology公司的双智能电池管理器芯片LTC1760作为智能电池系统管理电路的核心。以LTC1760为核心的智能电池系统管理电路如图3所示。

　　LTC1760是为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。