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可編程邏輯的便攜式鋰聚合物電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2022-06-20

便攜式設(shè)備的便攜性是與電池的發(fā)展息息相關(guān)的，從最初的鉛酸電池、鎳鎘（Ni-Cd）電池發(fā)展到鎳氫（Ni-H）、鋰離子（Li-ion）電池一直到最近的鋰聚合物（Li-polymer）電池，能量密度逐步提高，移動(dòng)性能越來越強(qiáng)，電池的缺點(diǎn)也不斷被克服。本文就將介紹一個(gè)便攜式鋰聚合物電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) ?????? 本設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)體是一個(gè)工業(yè)上使用的便攜式設(shè)備，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式處理器，并使用USB接口與電腦相連接，面向的是大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。這個(gè)設(shè)備需要30V直流電壓，所以計(jì)劃使用4個(gè)1000mAh鋰聚合物電池串聯(lián)的電池組；另外，出于防水防塵的考慮，對(duì)外只使用一個(gè)方形的USB接口（USB B Type Socket），這個(gè)USB口同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。 圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要30V直流電壓，電流大約80mA左右，使用一個(gè)升壓DC/DC電路，這個(gè)電路由控制核心操縱，平時(shí)是不工作的，只在需要?jiǎng)幼髦伴_啟。 充電使用外部20V電源，通過USB接口連接。使用這種電源的考慮是為了進(jìn)行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個(gè)端口，為了避免接入普通USB時(shí)進(jìn)入充電程序，需要一個(gè)電壓判斷電路進(jìn)行判斷。 由于合乎需要的芯片解決方案市場(chǎng)上很難尋覓，決定使用FPGA的剩余邏輯資源來實(shí)現(xiàn)充電器的控制功能，添加少量的模擬電路來輔助。這就要求對(duì)控制電路的供電不能中斷，電池組必須一直在線，并且電池負(fù)極需要一直與GND連接。 電池電路 ?????? 1 電壓采樣 ??? ?? 最重要的部分就是電壓采樣電路的設(shè)計(jì)，要求精度高并且受溫度影響小。這個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電池電壓對(duì)于GND而言是浮動(dòng)的。很多方案采取了差分運(yùn)放轉(zhuǎn)換到對(duì)地電壓然后輸入專用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個(gè)方案由于引入了差分運(yùn)放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運(yùn)放很難找；其次，運(yùn)放的電源與輸入電壓使用同一個(gè)電源，這樣一來就要求運(yùn)放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個(gè)負(fù)電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運(yùn)放及使用匹配的電阻使得精度降低。 圖2 RC充電電路 為了盡量簡(jiǎn)化電路，這里構(gòu)造了積分型的ADC，將FPGA定時(shí)的高精度轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量的高精度。 這是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC充電電路（見圖2）。其工作流程是：J1先閉合，釋放C1上的電荷；然后J1打開，由R1對(duì)C1進(jìn)行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當(dāng)C1電壓超過V2時(shí)輸出高電平。統(tǒng)計(jì)從J1打開到U1輸出高電平之間的時(shí)間，便可以確定V1的電壓大小?？梢灾庇^地看出，V1越高，這段時(shí)間越短。 實(shí)際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫出了第一個(gè)電池的測(cè)量電路。其中，R1與C1便是積分使用的電阻與電容，Q1是常用的P-MOSFET，這里用來實(shí)現(xiàn)J1給電容放電的功能，U5同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來自FPGA，X2是開關(guān)量輸出，去往FPGA。電壓比較器選用的是美信公司的MAX921。 圖3 實(shí)際取樣電路圖 這個(gè)電路在靜態(tài)時(shí)僅僅消耗MAX921的4μA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計(jì)，非常省電。 這個(gè)電路另外一個(gè)特色是省掉了經(jīng)常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態(tài)時(shí)，C2兩端達(dá)到電壓平衡，不消耗電能，此時(shí)，X2電壓為0。U5輸出高電平時(shí)，因?yàn)镃2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個(gè)肖特基二極管是起限幅作用的。仔細(xì)調(diào)整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關(guān)量信息。

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