基于可編程邏輯的便攜式設(shè)備多節(jié)鋰聚合物電池管理

便攜式設(shè)備的便攜性是與電池的發(fā)展息息相關(guān)的，從最初的鉛酸電池、鎳鎘（Ni-Cd）電池發(fā)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(qiáng)，電池的缺點(diǎn)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(tǒng)設(shè)計。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
本設(shè)計的應(yīng)用實體是一個工業(yè)上使用的便攜式設(shè)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(shù)據(jù)量應(yīng)用。這個設(shè)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(lián)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(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。

整體結(jié)構(gòu)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(wěn)定且連續(xù)，除非電池組低電量或者過流保護(hù)，否則此電壓一直供給。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)入充電程序，需要一個電壓判斷電路進(jìn)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(xiàn)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(fù)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(shè)計，要求精度高并且受溫度影響小。這個設(shè)計難點(diǎn)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(yùn)放轉(zhuǎn)換到對地電壓然后輸入專用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個方案由于引入了差分運(yùn)放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運(yùn)放很難找；其次，運(yùn)放的電源與輸入電壓使用同一個電源，這樣一來就要求運(yùn)放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個負(fù)電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運(yùn)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(gòu)造了積分型的ADC，將FPGA定時的高精度轉(zhuǎn)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(jìn)行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當(dāng)C1電壓超過V2時輸出高電平。統(tǒng)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?？梢灾庇^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(xiàn)J1給電容放電的功能，U5同時實現(xiàn)電壓基準(zhǔn)與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來自FPGA，X2是開關(guān)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