引言

隨著信息技術的快速發展，便攜設備的種類越來越多，處理能力不斷增強，所支持的應用也越來越多。便攜設備的一種重要的供電方式是采用電池供電，智能電池在便攜設備中得到了廣泛的應用。衡量便攜設備的一個重要指標是電池供電狀態下的工作時間。為了實現某專用便攜設備在電池供電方式下可以較長時間地工作，本文設計了一個基于智能電池組的電源系統。該系統可外接直流電或使用雙電池組供電，能夠對輸入電源進行自動選擇；能同時對兩組智能電池充電，并通過 SMBus（System Management Bus，系統管理總線）與主機系統通信，交互系統的工作狀態。

1  電源系統組結構

電源系統由智能電池系統管理電路，+12 V、4 A電源產生電路，+5 V、2 A后備電源產生電路以及2個智能電池組等組成，如圖1所示。電源系統的負載為基于COM Express模塊的便攜設備。設備要求使用+12 V作為主電源，+5 V作為后備待機電源，設備的最大功耗約為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+5 V后備電源電路產生+5 VSB電源，為在負載休眠狀態下仍然工作的部分電路供電；3個電源輸入經智能電池系統管理電路選擇后，在12 VON控制信號控制下通過+12 V電源電路產生負載所需的+12 V電源；智能電池系統管理電路對電池組進行充電/放電管理，并通過SMBus與主機系統交互電池供電狀態；系統通過2個智能電池組供電來滿足設備長時間電池供電的要求。

電源系統結構框圖

圖1  電源系統結構框圖

2  主要電路設計

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電路構成，能利用內部電路來測量、計算和存儲電池數據，使電池的使用更加可預測。智能電池組的管理基于SBS（Smart Battery Specification，智能電池規范）V1.1規范。智能電池組的通信使用SMBus總線，通過SMBus向主機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，并預測剩余工作時間等信息。在過充、過放、溫度超標等危險情況下，智能電池組還能自動采取相應的保護措施，并發出警報廣播。

智能電池組結構框圖如圖2所示。系統中鋰電池組由ICR1865電池通過串/并聯組合構成。單節ICR1865鋰電池的標稱電壓為3.6 V，標稱容量為2 Ah，滿電電壓為4.2 V，放空電壓為2.9 V。按照阻容指標一致的原則，以4并4串的形式進行組合，電池組的標稱電壓為14.4 V，標稱容量為8 Ah。采用TI公司的電量計芯片bq20z40、電池保護模擬前端芯片bq29330、二級電壓保護芯片bq29412以及相應外圍器件，構成電池電量計和電池保護電路，實現鋰電池組的過壓、過流、過放電保護、狀態監控、電量測量等功能，通過SMBus總線接口與智能電池系統管理器電路交互電池的狀態。

智能電池組結構框圖

圖2  智能電池組結構框圖

bq20z40集成8位超低功耗的RISC CPU，遵循SBS 1.1規范；可靈活配置2節到4節鋰電池；可對電壓、電流及溫度等參數編程；采用動態阻抗跟蹤電池電量的算法進行測量，測量精度可達1%；并采用SHA1 加密構架，提高了通信的可靠性和數據的安全性；具有靈活的工作模式，能在電池組庫存期間使芯片進入睡眠模式，以降低電池電量消耗。在系統設計時，根據電池組的充放電曲線，將電池組的工作參數寫入bq20z40的數據Flash中。

bq29330能夠實現電池過載、充電短路、放電短路保護、電池過/欠壓保護功能。電池過載、充電短路、放電短路時，bq29330根據內部配置自動關閉場效應管驅動。主機可通過通信接口監視和控制bq29330的狀態和參數（如電池平衡、電流保護級別等）。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載，使它的放電速度比其他電池快，從而使每節電池的容量保持一致。

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

2.2  智能電池系統管理電路

智能電池系統管理電路實現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系統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作為智能電池系統管理電路的核心。以LTC1760為核心的智能電池系統管理電路如圖3所示。

智能電池系統管理電路示意圖

圖3  智能電池系統管理電路示意圖

LTC1760是為使用雙路智能電池應用而設計的高度集成的3級電池充電器和選擇器，采用降壓開關拓撲，具有符合智能電池標準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部電壓和電流，同時允許一個外接的SMBus主機監控任意一個電池的狀態。通過SMBus接口，主機系統可獲知電池供電系統的工作狀態，例如電池組的電壓、電流、充電電壓、充電電流、電池告警狀態，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支持兩路電池同時充電或放電。典型狀態下，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控電池的溫度和電池的連接狀態。

智能電池系統管理電路在設計中需確定5個關鍵參數：

① 輸入限流電阻RCL。用于限制系統充電電流和負載電流之和，不超過外接電源適配器的額定電流。系統中，適配器選擇24 V、150 W，額定電流為6 A，RCL的電流ILIM=5.7 A，RCL選擇0.018 Ω/1 W的電阻。

② 限流電阻RILIM。設定充電器可以供給電池的最大允許電流，任何超過這個限度的值都會被限定值所取代。

③ 匹配充電電流檢測電阻RSENSE。作用是讓充電器的滿標度電流與設置滿標度限流值同步。在本系統中充電最大電流設定為4 A，RILIM設定為開路，RSENSE使用0.025 Ω/1 W的電阻。

④ 限壓電阻RVLIM。用于設定充電器可輸出的5個限壓值中的一個，本系統中充電限制電壓設定為16.8 V，因此，RVLIM選擇33 kΩ的電阻。

⑤ 短路保護電阻RSC。用于設定電路短路保護啟動電流。系統中3個電源通路都由2個背對背的P溝道場效應管與短路檢測電阻RSC串聯。系統中選擇RSC=0.012 Ω/1 W。

經過智能電池系統管理電路電源路徑選擇后，+12 V電源產生電路的輸入端電壓：外接直流電供電時為+24 V。2.3+12 V產生電路電池組供電時，電壓可從滿電時的+16.8 V逐漸下降到+11.6 V。因此，輸入電壓的變化范圍為+11.6~+24 V。

如果使用單一的降壓變換電路產生+12 V電路，那么在電池供電過程中，當電池即將放空、電池電壓接近或低于12 V時，電路將不能正常工作。此時，電池仍有一定的電量未放出，不能充分利用電池的供電能力。若采用獨立的降壓-升壓或者升壓-降壓電路進行組合，則在輸入電壓高于+12 V的大部分工作時間內，電源轉換的效率較低，而且電路復雜。本設計中采用SEPIC（SingleEnded Primary Inductance Converter，單端主電感變換器）電路，用LTC1871作為SEPIC控制器。這樣，無論在外接電源及電池組電壓大于12 V時，還是在電池供電后期，均能產生＋12 V供電電壓。

SEPIC電路拓撲和電流在開關閉合和斷開情況下的流向示意分別如圖4（a）～（c）所示。L1和主開關SW構成了一個升壓轉換器，L2和二極管D1構成升壓-降壓型轉換器。取L1=L2，并將L1和L2繞在同一核心上，可以降低輸入紋波、尺寸和成本。在系統中選擇L1、L2在同一核心上，并且兩者具有相等的電感。

SEPIC電路拓撲和電流流向示意圖

圖4  SEPIC電路拓撲和電流流向示意圖

+12 V電源產生電路如圖5所示。輸入電壓為+10~+24 V，最大負載電流為4 A，輸出電壓為+12 V。電路啟動由負載反饋的12 VON信號控制。10 μF/25 V×2指2個10 μF/25 V的電容并聯，68 μF/20 V×4指4個68 μF/20 V的電容并聯。（根據參考文獻[5]對重要元器件選型參數的計算過程略--編者注。）

+12 V電源產生電路

圖5  +12 V電源產生電路

2.4  +5 V后備電源產生電路

+5 V后備電源產生電路如圖6所示。從+24 V、智能電池組1和智能電池組2獲得電源輸入，通過降壓穩壓器LT1912獲得+5 V、2 A輸出。LT1912輸入范圍為3.6~36 V，開關頻率可在200~500 kHz范圍內設置，輸出電壓0.79~20 V可調，最大輸出電流為2 A。在每個輸入端串接一個低正向壓降的二極管，防止輸入電源之間形成回路。

+5 V后備電源產生電路

圖6  +5 V后備電源產生電路

結語

本文為某便攜設備設計了一個可支持外接直流電或使用雙電池組供電的電源系統。該系統能夠在外接24 V電源、電池組輸入之間選擇合適的輸入，可同時對兩組智能電池充電，并能通過SMBus與主機系統通信以交換電源系統的工作狀態，對便攜設備的電源系統設計具有一定的借鑒作用。