引言

　　隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，便攜設(shè)備的種類越來越多，處理能力不斷增強(qiáng)，所支持的應(yīng)用也越來越多。便攜設(shè)備的一種重要的供電方式是采用電池供電，智能電池在便攜設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。衡量便攜設(shè)備的一個重要指標(biāo)是電池供電狀態(tài)下的工作時間。為了實(shí)現(xiàn)某專用便攜設(shè)備在電池供電方式下可以較長時間地工作，本文設(shè)計了一個基于智能電池組的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)可外接直流電或使用雙電池組供電，能夠?qū)斎腚娫催M(jìn)行自動選擇；能同時對兩組智能電池充電，并通過SMBus（System Management Bus，系統(tǒng)管理總線）與主機(jī)系統(tǒng)通信，交互系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　1? 電源系統(tǒng)組結(jié)構(gòu)

　　電源系統(tǒng)由智能電池系統(tǒng)管理電路，+12 V、4 A電源產(chǎn)生電路，+5 V、2 A后備電源產(chǎn)生電路以及2個智能電池組等組成，如圖1所示。電源系統(tǒng)的負(fù)載為基于COM Express模塊的便攜設(shè)備。設(shè)備要求使用+12 V作為主電源，+5 V作為后備待機(jī)電源，設(shè)備的最大功耗約為50 W。其中，+12 V主電源需要3 A容量，+5 V后備電源需要1.5 A容量，同時要求電池供電工作時間不小于4 h。+24 V、電池組1和電池組2的輸入直接經(jīng)+5 V后備電源電路產(chǎn)生+5 VSB電源，為在負(fù)載休眠狀態(tài)下仍然工作的部分電路供電；3個電源輸入經(jīng)智能電池系統(tǒng)管理電路選擇后，在12 VON控制信號控制下通過+12 V電源電路產(chǎn)生負(fù)載所需的+12 V電源；智能電池系統(tǒng)管理電路對電池組進(jìn)行充電/放電管理，并通過SMBus與主機(jī)系統(tǒng)交互電池供電狀態(tài)；系統(tǒng)通過2個智能電池組供電來滿足設(shè)備長時間電池供電的要求。

　　2? 主要電路設(shè)計

　　2.1? 智能電池組

　　智能電池組由鋰電池組、電池電量計和電池保護(hù)電路構(gòu)成，能利用內(nèi)部電路來測量、計算和存儲電池數(shù)據(jù)，使電池的使用更加可預(yù)測。智能電池組的管理基于SBS（Smart Battery Specification，智能電池規(guī)范）V1.1規(guī)范。智能電池組的通信使用SMBus總線，通過SMBus向主機(jī)或智能充電器提供電池組的最大充電電壓、電流、剩余電量、電池溫度等參數(shù)，并預(yù)測剩余工作時間等信息。在過充、過放、溫度超標(biāo)等危險情況下，智能電池組還能自動采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并發(fā)出警報廣播。

　　智能電池組結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)中鋰電池組由ICR1865電池通過串/并聯(lián)組合構(gòu)成。單節(jié)ICR1865鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V，標(biāo)稱容量為2 Ah，滿電電壓為4.2 V，放空電壓為2.9 V。按照阻容指標(biāo)一致的原則，以4并4串的形式進(jìn)行組合，電池組的標(biāo)稱電壓為14.4 V，標(biāo)稱容量為8 Ah。采用TI公司的電量計芯片bq20z40、電池保護(hù)模擬前端芯片bq29330、二級電壓保護(hù)芯片bq29412以及相應(yīng)外圍器件，構(gòu)成電池電量計和電池保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)鋰電池組的過壓、過流、過放電保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控、電量測量等功能，通過SMBus總線接口與智能電池系統(tǒng)管理器電路交互電池的狀態(tài)。

　　bq20z40集成8位超低功耗的RISC CPU，遵循SBS 1.1規(guī)范；可靈活配置2節(jié)到4節(jié)鋰電池；可對電壓、電流及溫度等參數(shù)編程；采用動態(tài)阻抗跟蹤電池電量的算法進(jìn)行測量，測量精度可達(dá)1%；并采用SHA1加密構(gòu)架，提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性；具有靈活的工作模式，能在電池組庫存期間使芯片進(jìn)入睡眠模式，以降低電池電量消耗。在系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)電池組的充放電曲線，將電池組的工作參數(shù)寫入bq20z40的數(shù)據(jù)Flash中。

　　bq29330能夠?qū)崿F(xiàn)電池過載、充電短路、放電短路保護(hù)、電池過/欠壓保護(hù)功能。電池過載、充電短路、放電短路時，bq29330根據(jù)內(nèi)部配置自動關(guān)閉場效應(yīng)管驅(qū)動。主機(jī)可通過通信接口監(jiān)視和控制bq29330的狀態(tài)和參數(shù)（如電池平衡、電流保護(hù)級別等）。通過I2C接口使能電池均衡后，在充電過程中bq29330檢測每節(jié)電池的電壓，將較高電壓電池的電流部分分流，使它的充電速度比其他電池慢，以達(dá)到電池間充電時間的平衡；在放電過程中，增加較高電壓電池的有效負(fù)載，使它的放電速度比其他電池快，從而使每節(jié)電池的容量保持一致。

　　bq29412提供電池電壓二級保護(hù)功能，電池組中的每節(jié)電池均和芯片內(nèi)部的參考電壓比較，只要有一節(jié)電池電壓達(dá)到過壓條件，就啟動保護(hù)流程；延時到設(shè)定時間后仍然過壓，輸出引腳產(chǎn)生一個低電平到高電平的跳變，推動外部連接的場效應(yīng)管，熔斷保險絲，保證在過電壓狀態(tài)下電池組安全。

　　2.2? 智能電池系統(tǒng)管理電路

　　智能電池系統(tǒng)管理電路實(shí)現(xiàn)直流輸入與智能電池組輸入之間、兩個智能電池組之間的電源路徑選擇，智能電池組的充電管理以及與主機(jī)系統(tǒng)之間的通信交互功能。選用Linear Technology公司的雙智能電池管理器芯片LTC1760作為智能電池系統(tǒng)管理電路的核心。以LTC1760為核心的智能電池系統(tǒng)管理電路如圖3所示。

　　LTC1760是為使用雙路智能電池應(yīng)用而設(shè)計的高度集成的3級電池充電器和選擇器，采用降壓開關(guān)拓?fù)洌哂蟹现悄茈姵貥?biāo)準(zhǔn)定義的多種功能和輸入限流、安全限制等新增功能。LTC1760的SMBus接口可以跟蹤電池的內(nèi)部電壓和電流，同時允許一個外接的SMBus主機(jī)監(jiān)控任意一個電池的狀態(tài)。通過SMBus接口，主機(jī)系統(tǒng)可獲知電池供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，例如電池組的電壓、電流、充電電壓、充電電流、電池告警狀態(tài)，以及使用的外接電源還是電池組供電等。LTC1760的充電精度由電池組內(nèi)部的電壓、電流測量值決定，典型的測量精度誤差為±0.2%。雙電池系統(tǒng)通常采用順序放電方式放電，即先消耗電池組1的電量，再消耗電池組2的電量，通過這種方式來簡單地延長總的電池放電時間。而LTC1760采用專有的供電路徑架構(gòu)支持兩路電池同時充電或放電。典型狀態(tài)下，可使電池供電時間延長10%，而充電時間可減少50%。LTC1760能夠在10 μs內(nèi)在輸入電源之間切換，防止電池或外部電源遷移時供電中斷。電池的熱敏電阻可以用于監(jiān)控電池的溫度和電池的連接狀態(tài)。