基于可編程邏輯的便攜式設備多節鋰聚合物電池管理

便攜式設備的便攜性是與電池的發展息息相關的，從最初的鉛酸電池、鎳鎘（Ni-Cd）電池發展到鎳氫（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，移動性能越來越強，電池的缺點也不斷被克服。本文就將介紹一個便攜式鋰聚合物電池的管理系統設計。

系統整體結構
本設計的應用實體是一個工業上使用的便攜式設備，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，面向的是大數據量應用。這個設備需要30V直流電壓，所以計劃使用4個1000mAh鋰聚合物電池串聯的電池組；另外，出于防水防塵的考慮，對外只使用一個方形的USB接口（USB B Type Socket），這個USB口同時兼具數據傳輸和充電的功能。

整體結構如圖1所示。控制核心包括FPGA及其所連的接口、顯示電路，需要3.3V的低電壓，由高效率的DC/DC芯片從4芯鋰電池組直接降壓得到。這個電壓很重要，所以需要保持穩定且連續，除非電池組低電量或者過流保護，否則此電壓一直供給。

圖1 系統整體結構框圖

執行機構需要30V直流電壓，電流大約80mA左右，使用一個升壓DC/DC電路，這個電路由控制核心操縱，平時是不工作的，只在需要動作之前開啟。

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行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個端口，為了避免接入普通USB時進入充電程序，需要一個電壓判斷電路進行判斷。
由于合乎需要的芯片解決方案市場上很難尋覓，決定使用FPGA的剩余邏輯資源來實現充電器的控制功能，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計，要求精度高并且受溫度影響小。這個設計難點在于電池電壓對于GND而言是浮動的。很多方案采取了差分運放轉換到對地電壓然后輸入專用ADC進行AD變換的方案。但這個方案由于引入了差分運放，產生了許多問題。首先，電壓比較高，運放很難找；其次，運放的電源與輸入電壓使用同一個電源，這樣一來就要求運放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個負電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運放及使用匹配的電阻使得精度降低。

圖2 RC充電電路

為了盡量簡化電路，這里構造了積分型的ADC，將FPGA定時的高精度轉化為電壓測量的高精度。
這是一個簡單的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C1進行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當C1電壓超過V2時輸出高電平。統計從J1打開到U1輸出高電平之間的時間，便可以確定V1的電壓大小。可以直觀地看出，V1越高，這段時間越短。
實際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫出了第一個電池的測量電路。其中，R1與C1便是積分使用的電阻與電容，Q1是常用的P-MOSFET，這里用來實現J1給電容放電的功能，U5同時實現電壓基準與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來自FPGA，X2是開關量輸出，去往FPGA。電壓比較器選用的是美信公司的MAX921。

圖3 實際取樣電路圖

這個電路在靜態時僅僅消耗MAX921的4μA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計，非常省電。
這個電路另外一個特色是省掉了經常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態時，C2兩端達到電壓平衡，不消耗電能，此時，X2電壓為0。U5輸出高電平時，因為C2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個肖特基二極管是起限幅作用的。仔細調整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關量信息。

2 平衡充電
平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式，但是很多小功率的應用中實際是沒有平衡充電的，如大多數的筆記本電腦電池組，這樣做實際上對電池壽命的影響是相當大的。

現有的均衡技術主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問題就是控制起來很復雜。

現在很多專用芯片或者單片機解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實現的。這種方式中一般都是使用一個耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩壓二極管上的耗能太大，造成的發熱量是不能忍受的。

圖4 實際充電方式圖

實際使用的充電方式如圖4所示，當然，這只是一個示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開關陣列是用功率MOSFET實現。

這種做法，管子都工作在開關狀態，耗能很少，另外電池沒有串聯二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復雜，由于要匹配每個電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離，因為開關頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。

整個充電電路工作在開關狀態，不再添加任何的控制模塊，由FPGA直接控制場效應管，電流檢測和電壓檢測電路的輸出也轉化為開關量直接傳給FPGA。
充電分為四個步驟：
a) 檢測是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V；
b) 打開J1和J8，對整體進行大電流充電，同時測量電池單體的電壓，如果有電池單體達到4.2V，進入下個步驟；
c) 逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比<5%；
d) 對未到4.2V的電池進行輪流充電，當占空比均下降到5%時，充電結束。
這里需要說明的是，a)和d)步驟中輪流充電是通過開關矩陣實現的，并且輪流充電并不會延長充電時間，這是因為此時的占空比遠遠小于25%，可以在一個充電周期內分別給四個電池充電。

3 過流和低壓保護
為了保證電池組的絕對安全，電池組的過流和低壓保護是獨立設置的，當出現問題時可直接切斷電池組的輸出，這種類型的電路也非常普遍，這里不再贅述。
另外需要說明的是，控制系統里面也含有非易失存儲器和電池輸出探測電路，當探測到保護電路動作的時候，當前的信息將保存到非易失存儲器中，以供日后分析。

總結
多節鋰電池組成電池組是現在便攜式較大功率設備的必然選擇，如何管理和維護這個電池組使其高效長壽命地工作也是擺在電子設計師面前的任務。

本文提供了一個新思路，即采用簡單而精確的電路，將復雜的模擬量轉化為數字量，從而簡化外部電路的設計，把復雜的充電時序控制交給可編程邏輯來處理。這樣做不僅非常靈活，精度高，而且還降低了成本。