超低功耗的锂电池管理系统电路模块设计
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为了满足某微功耗仪表的应用,提高安全性能,提出了一种超低功耗锂电池管理系统的设计方案。采用双向高端微电流检测电路,结合开路电压和电荷积分算法实现电量检测。采用纽扣电池代 替DC/DC降压电路最大程度降低功耗。系统实现了基本保护、剩余电量检测、故障记录等功能。该锂电池管理系统在仪表上进行验证,结果表明具有良好的稳定性和可靠性,平均工作电流仅145μA。
保护执行电路:电路是保护动作的执行机构,CH 是充电控制开关,DISCH是放电控制开关,通过控制CH和DISCH做出相应的保护动作,电路图如图所示。
CH和DISCH在正常工作时置为低电平,此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态,DISCH 置为高电平,此时Q2断开,Q3导通,将M2栅极电容的电荷迅速放电,使M2能瞬间关闭,完成保护。当出现充电过流或者过充电状态,将CH置为高电平,关闭M1。电路中MOSFET选用了IRF4310,该MOSFET导通电阻仅为7kΩ,通流能力可达140A。
双向高端微电流检测电路:在单电源供电的微小信号检测应用中,由于采样电压很小,常受制于运放的供电轨而难以完成对小信号的检测。本设计中采用了电流高端检测电路,可以摆脱单电源供电对小信号检测的限制。高端检测电路采用了凌特公司LT1495超低功耗运放,电路示意图见图。
此电路可以实现对双向小电流的采样放大及判定电流的方向。R9为采样电阻,考虑到短路时电流较大,其阻值一般很小,本方案中R9阻值设为25mΩ。当电池处于放电状态,假定电流源、R9和LOAD组成的环路电流方向为顺时针,此时DIR1为低电平,DIR2为高电平,M1截止,M2导通。流过R4的电流 IR4=R9×IR9/R4,R5输出端的电压信号为VCUR=R9×IR9×R5/R4。当电池处于充电状态时,回路电流为逆时针方向,此时由运放U1 完成对电流信号的放大,DIR1 为高电平,DIR2为低电平。当电池处于闲置状态回路无电流时,DIR1和DIR2均为低电平。通过DIR1和DIR2的逻辑状态可以判定锂电池处于放电、充电或者是闲置状态。
电源设计:采用了纽扣电池给系统供电的设计方案,省去了DC/DC和LDO芯片,降低了降压芯片的损耗功耗,电路示意图如图所示。
图中R为数字电位器,选用ADI公司的AD5165,它的调节范围从0~100kΩ,静态电流仅50nA。V1和V2为纽扣电池,选用日本精工的 MS920SE,该型号支持最大800μA的最大电流放电。采集时间到来根据电池组电压值CELL4+ 调整电位器的阻值,R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],闭合开关W1 和W2 并采集POW_DET的电压,由此来判定纽扣电池的电量。若D1阳极电压值小于充电阈值电压,说明纽扣电池电压过低,则断开W2并调节数字电位器用适当的电流对纽扣电池进行充电。下一个采集周期到来重新调整数字电位器R,闭合W1和W2并采集POW_DET的电压,由此来判定纽扣电池的电量是否充满,若 D1阳极电压大于充电完成阈值电压,说明纽扣电池充满,则断开W1和W2。由此完成对纽扣电池的充电调节控制。3.3V数字电源经LC滤波转换成模拟电源。