微處理器控制、寬輸入電壓、SMBus 智能電池充電器的實施

隨著鋰離子化學電池在各種電子產品設計中的使用越來越普遍，為這些電池充電的創新解決方案變得越來越必不要少。為了獲得最大程度的系統靈活度，我們可以使用微處理器來控制電池充電的各個方面，包括旨在提高充電速率和電池壽命的獨特充電算法。這種方法還能夠允許更高電壓的電池組實施。

本文將介紹如何利用一顆微處理器來控制一個寬輸入電壓 DC/DC 控制器的功率級板。這種解決方案可支持高達 55V 的輸入電壓；5V 到 51V 范圍的電池充電電壓；以及在大多數情況下高達 10A 的輸出電流。本文中所討論的硬件和軟件均由 TI 應用工作人員開發，并經過他們的測試，目的是讓客戶能夠快速地進行解決方案原型機制造。

為了易于開發，我們將電池充電器分解為兩個單獨的板：微處理器控制器板和DC/DC-轉換器功率級板（請參見圖 1）。正負電池端均連接至功率級板，而系統管理總線 (SMBus) 通信線則連接至微處理器板。智能電池將我們想要的充電電壓和電流信息發送給微處理器，之后將兩個脈寬調制 (PWM) 信號發送給DC/DC-轉換器功率級板，以設置實際輸出電壓和電流。

為了能夠使用標準寬輸入電壓 DC/DC 轉換器，功率級板設計有一個特殊的反饋電路（請參見圖 2），以正確地控制電池充電。微處理器遵循的充電序列是，在電池電壓接近其規定最大電壓以前一直對充電電流進行限制。當達到最大電壓時，充電電壓便保持恒定，從而讓充電電流逐漸減少，直到認為電池獲得完全充電為止。這時，PWM 輸出信號便關閉。

初始電流限制充電速率有兩個電流電平。當電池過度放電時，在電池電壓達到某個足夠安全的級別來接受標準充電速率以前，將一直使用很低的充電速率來進行充電。

在如圖 2 所示反饋電路中，U3:B 將 PWM-電流基準電壓 (I_PWM1) 同提供給電池的測量電流 (ISNS1) 進行對比。如果 PWM 基準電壓高于測量電流，則放大器輸出為高。如果基準電壓較低，則放大器輸出為低。

一個電阻分壓器（R30 和 R34）用于測量 U3:A 的 VBATT1 輸入端的輸出電壓。我們將該電壓同PWM-輸出基準電壓 (V_PWM1) 進行對比。如果該基準電壓更高，則放大器輸出為高。如果基準電壓更低，則放大器輸出為低。最大輸出電壓可由如下方程式表示：

圖 1 寬輸入電壓智能電池充電器的高級系統結構圖

圖 2 正確對電池充電的恒流/電壓-反饋電路

圖 3 過壓及反極保護電路

圖 4 軟件流程圖簡述

D1 二極管將兩個放大器輸出與一個邏輯 OR 組合。最低電壓供給反相放大器（U3:D），其讓誤差信號極性在使用 DC/DC 控制器（這里為 TI 的 TPS40170）時為正確的。基本工作原理是：控制器嘗試發送一個設定電流；同時，如果負載可以接受該電流，則控制器便調節為該電流級別。如果負載不接受全部電流，則電壓開始上升，并最終