多锂离子/锂聚合物电池集成解决方案

泰西詹

下载

让有价值的资源直接发送到你的收件箱-每月发送一次

我们重视您的隐私

工业医疗设备、机器人吸尘器、无人机和大功率扬声器等电气设备都需要多电池充电器供电。传统的多电池充电器解决方案是由几个离散功率mosfet和多个辅助组件组成。

图1表明在传统的解决方案中，设计人员需要至少两个功率MOSFET作为功率转换器，和一个功率MOSFET来防止电池功率回流到输入。控制回路包括传感电路、补偿电路、PWM发生器和驱动器是必不可少的。此外，系统需要提供保护的电路，为输入源或操作条件的任何变化提供指示，以及其他功能。

图1:多电池充电器的传统解决方案

这些分立组件导致复杂的设计过程，高故障率，大板尺寸和高BOM成本。传统的解决方案需要改进。

为了提高产品质量，降低故障率，节省设计成本，一个集成的解决方案是必要的发展。半集成或完全集成的解决方案可以解决传统多电池充电器解决方案面临的问题，并加快上市时间。

图2显示了一个半集成的解决方案。在这个解决方案中，所有的控制回路(包括保护和指示)集成到一个专用的IC中，这样就不需要设计补偿参数，编写复杂的代码，或绘制复杂的PCB布局，从而缩短了设计过程。然而，离散mosfss仍然会导致电路板尺寸的问题。

图2:半集成解决方案

在一个完全集成的解决方案中，三个功率mosfet低传导电阻和所有的控制回路集成在一个设备中(见图3)．这大大缩短了设计过程，减少了BOM大小，并优化了效率。

图3:完全集成的解决方案

表1列出了集成bom与传统解决方案的对比。集成解决方案(特别是完全集成的解决方案)大大减小了板的尺寸。

组件	完全集成	半集成	传统的
充电器集成电路	1	0	0
功率场效应晶体管	0	3.	3.
电感器	1	1	1
感应电阻	1	2	2
专用控制集成电路	0	1	0
司机	0	0	3.
放大器和比较器	0	0	数个(5至10个)
单片机	0	0	1
大组件总数	3.	7	15到20

表1:集成解决方案与传统解决方案的bom表

创新

完全集成的多电池充电器有许多优点。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的开关充电器，专为1芯到6芯系列锂离子或锂聚合物电池组的充电应用而设计。188比分直播吧该IC集成了3个功率mosfet和模拟控制电路到一个3mmx3mm的封装中，可以使用很少的外部电路可靠和安全地运行。

全集成计费系统

图4展示了一个完全集成解决方案的典型应用电路。它的功率级需要一个电感和三个电容，外部组件少，实现了完整的充电功能。

图4:全集成解决方案典型应用电路

现代的电池充电器为电池组充电分为四个阶段:涓流充电、预充电、恒流充电和恒压充电(见图5)．所有的控制回路集成在设备中，充电快速，简单，可靠。

图5:典型的电荷分布

由于集成mosfet的低传导电阻，MP2759等全集成解决方案的效率高达97%(参见图6)．这些解决方案还可以提供出色的热性能，如MP2759的外壳温升为42.3°C(见图7)．

图6:MP2759效率曲线

(测试条件:L = 10µH/35mΩ， RSNS = 20mΩ)

图7:热性能评估

(测试条件:VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35mΩ， RSNS = 20mΩ，烧20分钟)

(单板信息:63.5mmx63.5mm, 4层，2oz./层)

功能扩展与简单的外部电路

电源路径管理

理想情况下，集成解决方案应该支持电源路径管理，以便将电源优先分配到系统轨道。MP2759采用一种通用的电源路径管理方法。当电池和系统之间连接一个外部p通道MOSFET(也称为BATTFET)时，系统负载被施加在PMID引脚上，而BATTFET的门由IN引脚信号驱动(见图8)．

图8:电源路径管理

当没有输入源时，battet打开，电流从电池流向系统。当输入源存在时，battet关闭，系统的电源由输入源通过Q1提供。如果通过Q1的总输入电流达到ILIM引脚设置的预设输入电流限制，则充电电流降低，以优先分配系统负载。

作为一个示范,图9和图10中电源路径管理的性能显示波形MP2759．

图9:电源路径管理启动和关闭

(测试条件:VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)

图10:在电源路径管理中，IIN_LMT达到预设输入电流限制

(测试条件:VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)

用单片机实时微调充电电流

许多电池驱动的设备必须能够实时调整充电电流，以微调其性能。这是因为电池和电池组制造商根据每个电池的温度和电压规定了不同的充电电流限制。大多数集成多电池充电器使用一个连接到电流设置引脚(通常称为ISET引脚)的电阻来调节充电电流，而不是使用更昂贵的I2C。

用一个电阻器调节充电电流有两种常用方法:

通过电阻器的电流以恒定电压读取。
电压在电阻器上读取，而电流保持恒定。

下面以方法一为基础，探索如何通过集成充电方案实时调节充电电流。图11显示了ISET引脚的等效电路。

图11:ISET引脚等效电路

充电器可以通过ISET引脚和AGND之间的电阻(RISET)调节充电电流。ICHG可由式(1)计算:

$ $ I_ {CHG} = \压裂{R_{缺点}}{R_ {ISET}} $ $

在R_缺点R的值是多少_ISET当我_CHG= 1。

从等价的R_ISET电路(见图12)时，改变等效R是可行的_ISET用MCU来修改PWM的占空比。这使得充电电流可以实时改变。

图12:等效RISET电路

接下来，等价的R_ISET(REQ)可由式(2)和式(3)计算:

$ $ R_ {EQ} = \压裂{V_{缺点}R_1 G_ {123}} {V_{缺点}G_{123} - - - - - -(\压裂{责任×V_ {M \ _PWM}} {R_2} + \压裂{V_{缺点}}{R_1})} $ $ $ $ G_ {123} = {1 \ / R_1} + {1 \ / R2} + {1 \ / R_3} $ $

在V_缺点为ISET引脚的恒定电压，占空比为PWM占空比，V_{M_PWM}为PWM幅值(通常约3.3V)。注意，在式(1)(2)(3)中，R_情商必须大于0;否则,我_CHG是0。

设计一个完全集成的系统，标准参数(R₁, R₂, R_3.C_ISET)可由以下公式和步骤估计:

首先，最大充电电流(R_{MAX_ICHG})由式(4)计算得到:

$$ r_ {max \ _ichg} = r1 + r2 / r3 $$

然后选择一个合适的R₁使用方程(5):

$ $ R_ {1} = 0.5 R_{马克斯\ _ICHG} $ $

接下来,R₂和R_3.可由式(6)计算:

数组$ $ \ biggl \{\开始{}{1}R_2 / / R_3 = R_{马克斯\ _ICHG} -R_1 \ \ \压裂{马克斯\ _DUTY \空间x \ V_ {M \ _PWM} - V_{缺点}}{R2} = \压裂{V_{缺点}}{R_3} \{数组}$ $

其中，MAX_DUTY为充电电流降至0A时的最大PWM占空。建议在占空比的80%左右。

最后，选择一个合适的C_ISET将PWM信号过滤为直流信号。C_ISET可由式(7)估计:

$$ \frac {1}{2\pi (R_2//R_3)C_{ISET}}<< f_{PWM}$$

其中fPWM为PWM频率。

锂离子和锂聚合物电池的理想解决方案应提供充电电流和PWM占空比之间良好的线性关系，并具有较宽的占空有效范围。例如,MP2759提供0%到82%的范围(见图13)．

图13:充电电流与PWM占空比

此外，MP2759在充电电流变化时不经历过冲或过冲(参见图14)．当PWM占空比为50%时，设备可正常启动和关闭(参见图15)．

a) PWM占空比下降65% ~ 10%

b) PWM占空比上升10%至65%

一)VIN启动

图14:充电电流在0.5A到2.4A之间的转换

b)负责启用

c)收取残疾人

图15:50% PWM占空比下的启动和关闭波形

功能-保护和适应症

对于充电系统和集成电路来说，保护电池是至关重要的。为了保证安全操作，推荐的保护包括电池和输入过压保护，电池温度保护，热关机，安全计时器，以及根据电池电压调节充电电流的能力。完全集成的保护电路减少了此类保护所需的集成电路的数量。

的MP2759具有ACOK和STAT引脚，指示输入源状态和IC操作状态。设计师可以监测这些引脚上的信号，以确定设备是否在正常充电。表2给出了不同输入源和运行条件下的ACOK和STAT状态。

在	充电状态	ACOK	统计
Absend	NA	Hi-Z	Hi-Z
现在	在充电	低	低
现在	充电完成，停止充电	低	Hi-Z
现在	NTC故障，安全计时器过期，电池失效	低	闪烁在2赫兹

结论

与传统解决方案相比，完全集成的解决方案具有非常高的效率、众多的安全特性、更低的BOM成本和更短的设计周期。本文使用MPS的MP2759演示集成解决方案的优势，其中包括三个低传导电阻的功率mosfet，模拟控制回路，以及诸如保护和指示等辅助功能。这样的集成解决方案可以帮助设计者通过简单的外部电路实现电源路径管理和充电电流的实时调整。