精密智能电池系统设计

智能电池系统（sbs）的出现大大简化了独立电池系统的设计，因此其应用已经超出了笔记本计算机领域，而出现在其他各种应用中，比如备份电源系统、高可靠性军事和航天应用中。其他关键应用还包括了汽车、安全/监视/防伪系统、医疗设备、刀片服务器、电信和便携式电子产品。

智能电池利用内部电子线路来测量、计算和存储电池数据，它使电源的使用更加可预测。而且，智能电池还有一个重要优点，那就是能防止意外的系统停机。  

智能电池系统  

一个基本的sbs系统由以下部分组成：系统管理总线（smbus），智能电池充电器和智能电池。  

sbs的模块化特性使设计闭环电池充电系统变的非常容易，这样的系统允许采用电池组独立充电器（智能充电器），最大限度地降低了硬件和软件的非重复工程（nre）性成本，并促成了坚固的系统，这对高可靠性电池备份应用尤其重要。而集成到电池组中的高准确度气压计则能一直准确地监视电池，甚至电池不在系统中时也一样。该气压计按照电池的实际容量值进行了校准，因此消除了偏差，确保了准确度。

智能电池的充电和保护  

智能电池充电器的主要功能是为智能电池充电提供电压源和电流源。智能电池通过smbus接口与智能充电器通信，并可选择与主机通信。为了防止由于smbus功能丧失而过充电，监视计时器持续运行以监视智能电池与充电器的通话频度。如果电池无动作的时间超过3分钟，那么充电器就暂停并等待电池再次请求充电。此外，电池还可以通过强制停机功能来控制充电器，这样可以绕过smbus，以提供冗余级别并让充电器知道电池是确实存在的。  



图1 ltc1760用于双电池系统  

总之，与固定独立充电器相比，智能电池充电器有如下优点。

① 真正即插即用，不受电池化学特性和电池配置影响。任何智能电池组都可与任何智能电池充电器配合。具有不同化学特性、配置，甚至不同充电算法的电池都可以不加修改换用充电器电路。
② 内置安全功能。sbs标准提供监视计时器和一个处在电池和充电器之间的特别“安全信号”接口。
③ 可靠的电池检测系统。
④ 自动充电管理，无须主机。
⑤ 无须主机干预的闭环充电系统。主机可根据需要收集电量测量信息。  

ltc1760双智能电池系统管理器  

ltc1760是一个高度集成的三级电池充电器和选择器，用于使用双智能电池的产品。它是一个降压开关拓扑电池充电器，具有符合智能电池标准定义的多种功能和其他新增功能，如输入限流和安全限制，等等。三个smbus接口使ltc1760能实现诸如跟踪两个电池的内部电压和电流之类的伺服功能，并允许一个smbus主机监视任一电池的状态。这种伺服技术能使充电器的准确度同电池内部电压和电流测量值只有±0.2％的误差。  

传统上，双电池系统是顺序放电系统，允许顺序消耗电池电量（先消耗电池1，再消耗电池2），以简单地延长总的电池工作时间。ltc1760采用了专有模拟控制技术，可允许安全地对两个电池并行充电或放电。图1是一个采用ltc1760的双电池系统的简化原理图。这种结构使充电速度提高了50%，电池工作时间延长了10%。此外，并行放电不仅增强了电流能力，而且还降低了i2r损耗并改善了在极高负载条件下的电压调节能力。降低i2r损耗和改善电压调节都延长了时序解决方案的总放电时间（见图2）。  




图2 双电池顺序电池充电时间的对比  



图3 ltc1760双电池充电器/选择器系统架构  

● ltc1760的主要特点  
① 独立3级充电器轮询电池的充电要求并监视由电池内部电量测量所确定的实际电流和电压（误差为±0.2%），实现快速、安全和彻底地充电。
② 快速充电模式可以用来进一步缩短充电时间。
③ 支持电池查验以实现气压计校准。
④ 3个电源通路fet二极管允许安全和低损耗地从dcin和两个电池同时放电。
⑤ 两个fet二极管实现两个电池同时安全、低损耗地放电。
⑥ 硬件可编程电流和电压安全限制以及很多其他安全功能用以补充电池的内部保护电路。

ltc1760虽然很精密，但是非常容易使用。在任何给定设计中仅需确定4个关键参数：输入限流检测电阻ricl，限流电阻rilim和匹配充电电流检测电阻rsense，限压电阻rvlim，短路保护电阻rsc。
ltc1760加上一些智能电池和一个ac适配器，就可组成一个简单系统。系统结构如图3所示。  

● 输入限流检测电阻rcl  
如图4所示，这个电路限制充电电流以防止系统功率升高时交流适配器过载。要设定输入电流限制，最重要的就是要最小化墙式配适器的额定电流。限流电阻可以通过下两式来计算。

ilim＝适配器最小电流值－（适配器最小电流值×5％）（1）
rcl＝100mv/ilim（2）

不过，交流适配器可以有至少+10%的限流裕度，因此常常可以简单地将适配器限流值设定为实际适配器额定值。  


  



图4 输入限流感应电阻电路  

● 限流电阻rilim   
rilim电阻有两个作用。首先，它告诉ltc1760的smbus接口，充电器可以供给电池的最大可允许电流，任何超过这个限度的值都会被限定值所取代。第二个作用是让pwm充电器的满标度电流与smbus接口的满标度限流值同步。  

● 限压电阻rvlim  
vlim引脚到gnd之间连接的外部电阻值可以决定5个充电器输出限压值中的任一个（见表3）。这种用硬件实现限压值的方法是一种比较安全的措施，它是不能被软件方式所取代的。  

● 短路保护电阻rsc  
每条电源通路都由两个背对背的pfet组成，这两个pfet与短路检测电阻rsc串联。电池电源通路（powerpathtm）开关驱动器等效电路如图 5 所示。  


图5 ltc1760电源通路电路  

短路保护功能可在电流模式和电压模式下工作。如果输出电流超过短路比较器门限的时间多于15ms，那么就断开所有电源通路pfet开关，并将power_not_good位置位。类似地，如果电压降至低于3v的时间多于15ms，那么也将断开所有电源通路开关，power_not_good位同样被置位。去掉所有电源可将power_not_good位复位。如果power_not_good位被置位，那么充电也被禁止。  


  
● 无须软件  
基于ltc1760的充电器无须软件。在一开始的硬件样机中放入该集成电路将允许系统获得电池的充放电。不过在某些情况下，可以编写一些软件以便主机能够完成以下动作。
① 直接从智能电池（也就是作为气压计）收集“充电器状态”信息；
② 支持电池查验。  

结论  

智能电池系统提供先进的功能，只需最低限度的设计工作。ltc1760是非常全面的单芯片双智能电池系统的代表，简单易用，仅需要确定4个参数就能完成一个完整的设计，而且不需要软件代码。该器件仅需最低限度的nre工作，就可组成一个完整的独立电池充电器系统并正常工作。智能