任勇峰，董琳琳，劉東海

(中北大學 微米納米技術研究中心，太原 030051)

隨著嵌入式設備運用的日益普及，及對設備便攜化的需求也在逐漸增強。而便攜的實現(xiàn)離不開電池的使用。傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫蓄電池的體積和質(zhì)量大，污染嚴重[1]。而鋰離子電池具有小的體積，輕的質(zhì)量，大的能量密度和穩(wěn)定的性能[2]?；谝陨蟽?yōu)勢使鋰離子電池在便攜化發(fā)展中廣受青睞。但鋰離子電池在使用時要求十分嚴格，不可過充[3]。因此，要對鋰離子電池進行充電管理，保證鋰離子電池的使用壽命等各項性能的穩(wěn)定。從而可進一步保證設備的性能穩(wěn)定。

1 設計方案

以BQ24105芯片為核心的充電管理模塊及搭建的測試平臺組成的設計鏈路如圖1所示。測試臺部分由測試臺和上位機組成，用于下發(fā)主備電切換命令和接收傳回的數(shù)據(jù)并上傳到上位機顯示出來[4]。測試臺中的FPGA與上位機通過PCI9054橋接芯片進行數(shù)據(jù)、指令等的交互[5]。測試平臺與存儲設備通過線纜以異步422形式進行傳送和接收。

存儲設備部分，由充電管理模塊、采集模塊、FPGA和其他模塊組成。在BQ24105的充電輸出端串接霍爾電流傳感器。AD采集單元利用AD7667配合模擬開關，實現(xiàn)分時采集接收電流值和電池端電壓值[6]。采集得到的數(shù)字量經(jīng)過FPGA以422形式發(fā)送給測試平臺接收顯示。

圖1 設計鏈路示意圖

2 采集模塊的設計

該模塊的設計是為了采集監(jiān)測充電電流和電池端電壓，其中電流采集是使用霍爾電流傳感器HBA05-SP將充電電流轉(zhuǎn)換為電壓值，之后將該電壓和電池端電壓再輸入到AD采集單元轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量[7]，最終上傳至上位機顯示。

對于HBA05-SP霍爾電流傳感器，它所使用的原理圖如圖2所示，HBA05-SP是閉環(huán)霍爾電流傳感器，它的初、次級之間是絕緣的，具有超強抗干擾能力。它的匝數(shù)比為4∶1 000，額定輸入有效電流值為5 A，額定輸出有效電流值為20 mA，共6個引腳。電流流向為5到6，需要將傳感器通過5、6引腳串接到電路中，1、3引腳為供電端，本方案采用12 V供電，4引腳為電流輸出端?，F(xiàn)根據(jù)需要設定所測電流范圍在50 mA到500 mA，根據(jù)匝數(shù)比與電流比成反比可以得出，傳感器輸出電流范圍在0.2～2 mA之間，為方便AD采集單元采集，設置如圖2所示的分壓電阻，其中R1=51 Ω，R2=1.24 kΩ，將電流轉(zhuǎn)換為相應電壓后，再由AD采集單元采集。

圖2 HBA05霍爾電流傳感器原理圖

3 充電管理模塊的設計

3.1 降壓和主備電切換部分

由于存儲設備的其他模塊需要的電壓是3.6 V，而電池組是由2節(jié)標稱值是3.7 V的鋰離子電池串聯(lián)組成。本方案選擇輸出電壓可調(diào)的高電流低壓差線性穩(wěn)壓芯片MIC29302BT實現(xiàn)降壓，如圖3所示，為電池組降壓電路圖。該芯片使用時要求，輸入電壓VIN取(VOUT+1～26 V)之間，即4.6～26 V，電池組電壓符合該要求。輸出電壓可選1.25～25 V范圍內(nèi)的值，可通過式(1)設置電阻R1和R2實現(xiàn)相應輸出的電壓值。根據(jù)需要可得，

(1)

其中，VADJ=1.240 V，代入可得，

取標稱值R1=1.6 kΩ、R2=820 Ω。此外還需注意該芯片具有使能端EN，要求小于0.8 V時使能無效，大于等于2.4 V時使能有效，電池組的降壓使能端是FPGA控制，使能端有效時電壓在3.3 V左右，因此，為了能有效控制使能開合，在使能端加1 kΩ下拉電阻R3，如圖3所示。

圖3 電池組降壓電路圖

主備電切換部分，如圖1所示的充電管理模塊。當通過線纜將主電源連接到存儲設備時，主電源(12 V)一方面對電池組進行充電，另一方面通過同步降壓轉(zhuǎn)換器LMR33630將主電源的12 V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5.2 V輸出，再通過MIC29302直接利用VIN作為使能信號為存儲設備進行供電，如圖4所示。而電池組方面由上位機下發(fā)主電源指令將電池組的MIC29302使能端變?yōu)榈?。當主電源供電時需要整個存儲設備工作，需要有穩(wěn)定且較大的電壓和電流，故這里選用LMR33630作為主電源的降壓轉(zhuǎn)換器，該降壓轉(zhuǎn)換器可以用高達36 V的輸入電壓驅(qū)動高達3 A的負載電流，并且具有超小型QFN封裝和低EMI、低噪聲，效率高等特點。該芯片在使用時需注意，輸入電壓值可選6～36 V之間，輸出的直流電流應在0～3 A,輸出的直流電壓應在1～24 V。VFB為反饋電壓，值為1 V。本方案要用12 V輸入電壓得到輸出5.2 V電壓和1.5 A左右的電流。所搭建DC-DC降壓電路如圖4所示，根據(jù)式(2)可得到分壓電阻值。

(2)

取標稱值RFBT=100 kΩ，RFBB=23.7 kΩ+107 Ω。

根據(jù)式(3)可得到輸出電感值，

(3)

其中K=0.3，fsw=400 kHz。代入可得標稱值L=8.5 μH。

圖4 DC-DC降壓電路圖

當需要電池組進行供電時，撤掉線纜斷開主電源(12 V)時先通過上位機向存儲設備下發(fā)一個備用電源指令給存儲設備的FPGA，再斷開線纜(主電源)，當存儲設備的FPGA接收后立刻使能與電池組相接的MIC29302的使能端，此時為電池供電，完成了主備電源的切換。

3.2 BQ24105芯片關鍵設計

相比于BQ241XX系列的其他型號，除了具有高精度的充電電流和充電管理電壓、可調(diào)的工作溫度和可調(diào)的充電時間等特點外，還有作用對象多，并且設有輸出電壓反饋調(diào)節(jié)端等特點。

3.2.1BQ24105芯片充電過程

BQ24105芯片的溫度特性，芯片比較TS引腳的電壓與內(nèi)部門限值來決定是否允許充電。為了初始化一個充電循環(huán)，電池溫度必須在V(LTF)到V(HTF)之間。不在該范圍則暫停充電等待直到屬于該范圍。在充電循環(huán)期間(預充電和快速充電)，電池溫度必須在V(LTF)到V(TCOF)之間，不在該范圍則暫停充電等待到達V(LTF)到V(HTF)范圍。如圖5所示。

圖5 BQ24105芯片的溫度特性

根據(jù)鋰離子電池的充電特點和BQ24105充電芯片的工作特性，充電的基本過程可分為預充電，快速充電和終止充電3個階段[8]。圖6為充電曲線，由于鋰離子電池具有較高的能量比，如果直接進入快充模式，會對電池產(chǎn)生損害。該芯片在預充電時，如果電池端電壓VBAT低于VLOWV門限電壓，則芯片采用預充電流IOPRECHG充電，該電流激活電池，并且激起預充定時器(30 min)，如果定時器結(jié)束時還未到達VLOWV，則停止充電，STATX顯示充電錯誤。當換個電池或重新上電復位后，錯誤狀態(tài)將被清除。

圖6 充電曲線

快速充電根據(jù)鋰離子電池的充電特性分為恒流充和恒壓充兩個階段。恒流充時充電電流不變，充電端電池電壓持續(xù)升高，當充電端電池電壓達到設置的充電截止電壓值后，進入電壓管理階段，充電端電池電壓不變，充電電流逐漸減小。芯片在電壓管理階段監(jiān)測充電電流，一旦檢測到終止電流ITERM，芯片就會終止充電[9]。終止電流與預充電電流基本相等。圖7所示為BQ24105對鋰離子電池充電時的流程。

根據(jù)設計要求，本方案要給2節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池進行充電。充電時要求充電截止電壓最大為8.3 V，充電時間最多為2.5 h，充電溫度為0～45 ℃，充電電流為350 mA，預充電電流是充電電流為58 mA。BQ24105搭建的電路如圖8所示。

圖7 BQ24105對鋰離子電池充電時的流程框圖

圖8 BQ24105搭建的電路圖

3.2.2充電參數(shù)設計

1)充電電壓設計

BAT引腳為充電管理電壓端，F(xiàn)B引腳為充電電壓的反饋調(diào)節(jié)端口，設計時，利用R1和R2將BAT端的電壓值配置成充電截止電壓值[10](廠家推薦8.3 V)。根據(jù)式(4)可得，

(4)

2)充電時間的設計

TTC為快充定時器及終止控制引腳，充電時間可通過設置TTC引腳對地電容值來實現(xiàn)，由式(5)可得，

(5)

其中，KTTC=2.6 min/nF，tCHARGE可選25～572 min范圍，本方案選tCHARGE=2.5 h，CTTC=57.69 nF，取標稱值CTTC=56 nF。

3)充電溫度的設計

鋰離子電池最好在0～45 ℃范圍進行充電，故將BQ24105充電芯片的充電工作溫度設置在該范圍[11]。要實現(xiàn)對溫度的管理，僅需要配置好分壓電阻RT1和RT2即可，這里的熱敏電阻選103AT，其中熱敏電阻的低溫極限電阻為RTHclod=27.28 kΩ，高溫極限電阻為RThot=4.912 kΩ。由式(6)和(7)可得，

(6)

其中，VLFT=73.5%·VO(VTSB)，VHFT=34.4%·VO(VTSB)，VO(VTSB)=3.15 V，代入可得，RT2取標稱值442 kΩ。

(7)

代入可得，取標稱值RT1=9.31 kΩ。

4)充電電流的設計

SNS引腳為充電電流感應輸入端，電池電流通過一個外部串聯(lián)電阻RSNS對應產(chǎn)生的電壓值作為芯片判斷電流的依據(jù)[12]。由式(8)可得，

(8)

其中，VRSNS=100 mV，代入可得，取標稱值0.3 Ω。

ISET1引腳為快充充電電流配置端，通過設定RISET1配置不同的最大充電電流值，由式(9)可得，

(9)

其中，KSET1=1 000，VISET1=1，代入可得，取標稱值9.53 kΩ。同理，ISET2引腳為預充電電流配置端，根據(jù)式(10),

(10)

其中，KISET2=1 000，VISET2=0.1 V，代入可得，取標稱值5.76 kΩ。

5)充電LC振蕩的設計

電感參數(shù)的選擇是充電電路設計的關鍵，用以提供內(nèi)部回路補償,其電感值要足夠大，以保證紋波性能，由式(11)可得，

(11)

其中ΔIL=30%×ICHARGE，f表示芯片內(nèi)部的PWM控制器的工作頻率，取f=1.1×106，VINMAX表示芯片的工作電壓和輸入電壓的最大值(16 V)。代入可得，取標稱值22 μF。

充電輸出電容與充電輸出電感的諧振頻率在10～20 kHz之間，這里取f0=16 kHZ。

(12)

代入式(12)可得，取標稱值4.7 μF。

6)充電狀態(tài)的設計

該芯片設有兩個引腳，STAT1和STAT2，用以顯示充電狀態(tài)，本方案的流程如圖7所示，利用LED的亮滅表明充電的狀態(tài)，如表1所示。

表1 充電狀態(tài)對應

4 測試與驗證

用一個10 Ω、25 W的大電阻對電池放電至4.5 V左右后，將電池連接到充電模塊后對電池進行充電，并用線纜將存儲設備和測試平臺相連接，每3 min記錄通過上位機顯示的采集回來的充電電流值和電池電壓值，通過整理繪制得到如圖9溫度在規(guī)定范圍時的曲線。

圖9 溫度在規(guī)定范圍時的曲線

經(jīng)多次測試，可以看到，在2.5 min內(nèi)完成充電并且實測曲線與芯片管理過程曲線走勢一致，實現(xiàn)了電池管理，后將該模塊放置于零下及45 ℃以上的環(huán)境下進行充電，發(fā)現(xiàn)充電模塊暫停充電工作，圖10所示為溫度不在規(guī)定范圍時的曲線，在21∶27左右時刻之前為模塊處于不滿足溫度條件時不充電的曲線，充電電流值很小，電池端電壓值由于不充電也未消耗而幾乎不變，STATX燈均不點亮。在21∶27左右時刻之后為模塊恢復到0～45 ℃時充電模塊正常充電的曲線，充電電流值和電池端電壓值再次進行正常變化，并且充電狀態(tài)燈在充電時僅STAT1燈亮，而在充電完成時僅STAT2燈亮。

圖10 溫度不在規(guī)定范圍時的曲線

5 結(jié)論

根據(jù)BQ24105芯片的功能特點，結(jié)合鋰離子電池的充電特性，提供了實用的電路設計方案，搭建了可靠有效的測試平臺，該模塊可根據(jù)實際設計需要安全可靠的完成鋰離子電池的充電工作，性能穩(wěn)定，效果良好且實用性強，確保了設備工作的穩(wěn)定性和可靠性。