ADI電池快速充電指南及優(yōu)化方案

雖然更高的電池容量延長(zhǎng)了設(shè)備的使用時(shí)間，但如何縮短充電時(shí)間，這給設(shè)計(jì)人員帶來了額外的挑戰(zhàn)?？焖俪潆娺m用于廣泛的設(shè)備，包括消費(fèi)電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。本文分為兩部分，概要介紹與實(shí)現(xiàn)電池快速充電功能相關(guān)的挑戰(zhàn)。

第1部分探討在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性、盡可能降低功耗，并提升用戶的總體體驗(yàn)。此外，還介紹設(shè)備包含的監(jiān)測(cè)功能，確保實(shí)現(xiàn)安全充電和放電。

第2部分詳細(xì)探討如何使用評(píng)估套件和樹莓派板實(shí)現(xiàn)電池并聯(lián)的快速充電系統(tǒng)。

第一部分

在如今這個(gè)移動(dòng)設(shè)備當(dāng)?shù)赖臅r(shí)代，電池壽命是影響用戶體驗(yàn)的主要因素之一。在設(shè)備內(nèi)部集成省電技術(shù)非常重要，但這只是解決方案的一部分。隨著移動(dòng)設(shè)備的功能不斷增多，其對(duì)電力的要求也不斷提高，原始設(shè)備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量，以此延長(zhǎng)電池的使用壽命。

例如，1S2P（1個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)電池并聯(lián)）這類架構(gòu)開始風(fēng)行，通過使用兩個(gè)并聯(lián)電池來提高總電池容量。提高電池容量帶來的問題就是充電時(shí)間隨之延長(zhǎng)。為了盡可能縮短充電時(shí)間，電池技術(shù)不斷改善，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說，xC是1小時(shí)內(nèi)通過電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對(duì)電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下，會(huì)消耗最高12 A充電電流。

對(duì)于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電。將電池并聯(lián)使用時(shí)，開發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類型的設(shè)備中提供電池快速充電功能時(shí)遇到的挑戰(zhàn)，包括消費(fèi)電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。

我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性，盡可能降低功耗，并改善整體用戶體驗(yàn)。

充電器基礎(chǔ)知識(shí)，以及為何電量計(jì)位置分區(qū)非常重要

電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報(bào)告電池指標(biāo)的電量計(jì)，例如電池的充電狀態(tài)(SOC)、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿所需時(shí)間。電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或者集成在電池包中（參見圖1-1）。

圖1-1. 電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或集成在電池包中。

集成在電池包中時(shí)，電量計(jì)需要使用非易失性存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)電池信息。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測(cè)充電/放電電流，保護(hù)電池免于遭受危險(xiǎn)狀況。MAX17330?是ADI公司提供的電池電量計(jì)，內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能（參見圖1-2）。

圖1-2. 包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計(jì)框圖。

充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)線性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時(shí)，該器件可以獨(dú)立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限制。

在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見圖1-3）。同時(shí)還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗（參見圖1-4）。

圖1-3. 高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖。

圖1-4. 使用降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效實(shí)現(xiàn)10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器，VIN = 12 V。

在電池包中集成電量計(jì)會(huì)使電池變得智能，能夠用于先進(jìn)充電場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)充電功能。例如，電量計(jì)可在其非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)適合電池包中電池的充電曲線參數(shù)。因此無需通過主機(jī)微控制器單元(MCU)充電?，F(xiàn)在，主機(jī)MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號(hào)，根據(jù)收到的警報(bào)類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

CP:?熱限制 → 降低電壓。

CT:?MOSFET溫度限制 → 降低電壓。

Dropout:?→增大電壓。

CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護(hù)MOSFET的電流影響散熱性能時(shí)，該標(biāo)志置位。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過高時(shí)置位。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置。

可編程降壓轉(zhuǎn)換器（例如 MAX20743 ）使用PMBus來精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達(dá)10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線來管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì)。

以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式。圖1-5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來說，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

圖1-5. 單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電。

可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出(VPCK)設(shè)置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會(huì)持續(xù)增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。

電池安全管理

由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個(gè)電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測(cè)多個(gè)重要參數(shù)。例如，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測(cè)電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求（參見圖1-6），且基于電池電壓進(jìn)行三區(qū)步進(jìn)充電。

圖1-6. 6區(qū)JEITA溫度范圍。

使用步進(jìn)充電曲線，根據(jù)電池電壓改變充電電流，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的使用壽命。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應(yīng)的充電電流的步進(jìn)充電曲線。可以通過狀態(tài)機(jī)來管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換（參見圖1-7）。

圖1-7. 步進(jìn)充電曲線，使用狀態(tài)機(jī)來管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換。

注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見表1-1和表1-2）。

表1-1. 充電電流，支持步進(jìn)充電和JEITA

表1-2. 充電電壓，支持步進(jìn)充電和JEITA

并聯(lián)充電

多電池并聯(lián)充電需要額外管理。例如，當(dāng)兩個(gè)電池的電壓相差超過400 mV時(shí)，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電。只有當(dāng)最低電池電量太低，無法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電（參見表1-3和圖1-8）。

表1-3. FET邏輯管理

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圖1-8. 為了防止交叉充電，當(dāng)電池ΔV >400 mV，會(huì)阻止電壓更高的電池放電。

將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移動(dòng)到電池包一端，可以單獨(dú)控制1S2P配置中的每個(gè)電池。因此不需要由主機(jī)MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來管理其輸出。由于主機(jī)端的管理只是管理電量計(jì)生成的ALRT信號(hào)，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包。

必要時(shí)，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現(xiàn)交叉充電。這種方法無需考慮電池不匹配問題，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和整個(gè)充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全，并改善用戶體驗(yàn)。

第二部分

通過在電池包中實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能，原始設(shè)備制造商(OEM)可以設(shè)計(jì)智能快速充電器，從而提高系統(tǒng)靈活性，更大限度地降低功耗，確保安全充電/放電，并改善整體用戶體驗(yàn)。在本部分中，我們將詳細(xì)探討如何使用評(píng)估套件和樹莓派板實(shí)現(xiàn)電池并聯(lián)的快速充電系統(tǒng)。

評(píng)估1S2P架構(gòu)

評(píng)估簡(jiǎn)單充電系統(tǒng)并測(cè)試其功能，通常可以使用評(píng)估套件來完成。這些套件包括配置充電系統(tǒng)所需的所有硬件和軟件應(yīng)用，以及基于圖形用戶界面(GUI)的工具和API。

但相應(yīng)地，包含多個(gè)單元的復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)評(píng)估工作也更加繁瑣。復(fù)雜系統(tǒng)中可能有多個(gè)器件需要進(jìn)行表征。開發(fā)人員將需要編寫一些軟件代碼來讀取系統(tǒng)不同部分生成的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，并采取行動(dòng)。MAX17330 可幫助管理包含兩節(jié)鋰離子電池的并聯(lián)電池快速充電系統(tǒng)。如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，MAX17330可用于同時(shí)對(duì)兩節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電和控制。該系統(tǒng)需要兩個(gè)MAX17330 IC，每個(gè)IC管理一節(jié)鋰離子電池，以及一個(gè)能夠即時(shí)調(diào)整輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器（如 MAX20743 ）。

該系統(tǒng)還需要使用一個(gè)微控制器來配置和管理電池充電，以及處理兩個(gè)IC之間的通信。本文選擇的樹莓派板是系統(tǒng)測(cè)試中普遍使用的平臺(tái)，此外我們選用Python作為編程語(yǔ)言。樹莓派通過I2C管理通信，并記錄有助于評(píng)估和調(diào)試的重要系統(tǒng)參數(shù)，包括充電電流、電池電壓和電池荷電狀態(tài)(SOC)。這些數(shù)值均存儲(chǔ)在Excel文件中，方便進(jìn)行離線分析。

測(cè)試1S2P架構(gòu)

本節(jié)將介紹如何測(cè)試充電器和電量計(jì)(MAX17330)。本節(jié)還會(huì)說明并聯(lián)充電可達(dá)到的實(shí)際性能。為了獲得更大的靈活性和可控性，該器件由微控制器通過I2C進(jìn)行編程。

圖2-1顯示了1S2P系統(tǒng)架構(gòu)以及評(píng)估兩節(jié)并聯(lián)電池充電所需的連接。樹莓派控制三個(gè)EVKIT：一個(gè)MAX20743EVKIT（降壓轉(zhuǎn)換器）和兩個(gè) MAX20743EVKIT （充電器+電量計(jì)）。數(shù)據(jù)記錄在Excel文件中。

圖2-1. 使用樹莓派的1S2P充電系統(tǒng)評(píng)估架構(gòu)

可從MAX17330產(chǎn)品頁(yè)面的"工具和仿真"選項(xiàng)卡中下載并使用基于GUI的MAX17330評(píng)估套件軟件。使用配置向?qū)В◤?器件"選項(xiàng)卡中選擇）可為MAX17330生成初始化文件(.INI)。INI文件中包含寄存器地址/寄存器值格式的器件寄存器初始化信息。微控制器需使用該文件來逐個(gè)配置MAX17330中的寄存器。

MAX17330X2EVKIT 數(shù)據(jù)手冊(cè)詳細(xì)說明了生成初始化文件所需的各個(gè)步驟。圖2-2所示的配置用于啟動(dòng)并聯(lián)充電。接下來可按圖2-3中的配置啟用步進(jìn)充電。圖2-4顯示了基于圖2-3配置步進(jìn)充電后的預(yù)期步進(jìn)充電曲線。

圖2-2. 配置MAX17330進(jìn)行并聯(lián)充電

圖2-3. 啟用步進(jìn)充電

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?

圖2-4. 基于圖3來配置步進(jìn)充電的預(yù)期步進(jìn)充電曲線

MAX20734 降壓轉(zhuǎn)換器可在需要時(shí)提高兩個(gè)MAX17330EVKIT上的電壓。MAX20734降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)地址0x21處的內(nèi)部寄存器值改變輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器可以通過I2C控制；已編寫一個(gè)Python類來執(zhí)行此操作。

最后，如圖2-5所示，MAX20743EVKIT輸出分壓器被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（使用的值為R6 = 4K7和R9 = 1K3）。

圖2-5. 輸出分壓器已被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（R6 = 4 K7且R9 = 1 K3）

表2-1. MAX20743基于寄存器0x21的轉(zhuǎn)換輸出電壓

從表2-1可以得出如下曲線：

其中，x為要在輸出端施加的電壓。雖然這種方法會(huì)有輕微誤差，但也是根據(jù)電壓估算所需寄存器值的好方法。

上電與初始化

當(dāng)MAX17330首次連接電池時(shí)，默認(rèn)寄存器值設(shè)置強(qiáng)制IC進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。要喚醒器件，請(qǐng)按PKWK按鈕。這將使臨時(shí)保護(hù)MOSFET短路，從而喚醒兩個(gè)MAX17330EVKIT。

接下來，樹莓派需要通過I2C與所有三個(gè)器件通信。小心地初始化I2C硬件，避免器件地址沖突。默認(rèn)情況下，兩個(gè)MAX17330EVKIT使用相同I2C地址。第一步是更改兩個(gè)電量計(jì)之一的地址。

MAX17330兼有易失性和非易失性寄存器，非易失性寄存器以"n"前綴標(biāo)識(shí)。這也導(dǎo)致產(chǎn)生一對(duì)節(jié)點(diǎn)地址：6Ch（易失性寄存器）和16h（NV寄存器）。

改變MAX17330器件節(jié)點(diǎn)地址的方法有兩種：

使用I2CSid字段設(shè)置nPackCfg NV寄存器。此更改可以利用配置向?qū)гO(shè)置。參見表3。

I2CCmd 寄存器支持動(dòng)態(tài)更改I2C總線。參見表2-2~2-4。

表2-2. MAX17330寄存器

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表2-3. nPackCfg (1B5h)寄存器格式

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表2-4. I2CCmd (12Bh)寄存器格式

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為了便于使用，我們采用第二種方法來改變地址，這樣可以使用同一INI文件來初始化兩個(gè)器件。生成兩個(gè)器件的通用設(shè)置可以簡(jiǎn)化器件配置，并消除有關(guān)手動(dòng)輸入地址的用戶錯(cuò)誤。

由于兩個(gè)MAX17330器件共用同一I2C總線，因此該程序要求將一個(gè)器件的ALRT信號(hào)設(shè)置為低電平，并將另一個(gè)設(shè)置為高電平。

表2-5. I2C ALRT設(shè)置

表2-4中的數(shù)據(jù)來自MAX17330數(shù)據(jù)手冊(cè)，顯示了I2CCmd寄存器如何根據(jù)ALERT GPIO引腳值動(dòng)態(tài)更改器件地址。在這種情況下，可使用GoToSID和INcSID字段更改I2C地址：

? Set ALRT_A logic low
? Set ALRT_B logic high
? Write I2CCmd = 0 × 0001?

→ MAX17330_A address remains at 6Ch/16h

→ MAX17330_B address set to ECh/96h

每個(gè)器件都分配有唯一的地址后，整個(gè)系統(tǒng)便可以由單個(gè)微控制器控制。

下面是微控制器完成I2C配置的腳本。這將是系統(tǒng)初始化的一部分。

? Load .INI file
? Assert ALRT_A and ALRT_B to keep the path between SYSP and BATTP open
? Read VBATT_A and VBATT_B
? VMAX?= max (VBATT_A, VBATT_B)
? Set VOUT?= VMAX?+ 50 mV
? Release ALRT_A and ALRT_B
? Set nProtCfg.OvrdEn = 0 to use ALRT as Output

參見表2-6。

表2-6. nProtCfg (1D7h)寄存器格式

非易失性空間中的某些寄存器需要重啟固件才能使更改生效。因此，需要執(zhí)行以下步驟：

? 置位Config2.POR_CMD以重啟固件

參見表2-7。

表2-7. Config2 (OABh)寄存器格式

接下來，我們需要啟用充電器的中斷：

? 設(shè)置（Config.Aen和Config.Caen）= 1

參見表2-8。

表2-8. Config (O0Bh)寄存器格式

現(xiàn)在器件已初始化。

記錄數(shù)據(jù)和中斷

我們需要能夠讀取寄存器以記錄數(shù)據(jù)，并檢查ALERT GPIO線上是否已生成中斷。我們可以使用如下腳本：

? 設(shè)置500 ms定時(shí)器

? VMIN = min (VBATT_A, VBATT_B)

? Vsys_min = nVEmpty[15:7]

? CrossCharge = False

? If (VMIN

評(píng)估最小電池電壓是否超過系統(tǒng)的最小工作電壓

? If FProtStat.IsDis = 0

檢測(cè)到充電信號(hào)

? Clear Status.AllowChgB

向所有電池表明充電器存在

? If (VBATT > VMIN + 400 mV and !Cross Charge)

確定要阻止哪個(gè)電池以避免交叉充電

Config2.BlockDis = 1

else

Config2.BlockDis = 0

如果低電量電池遠(yuǎn)低于高電量電池，則允許放電

參見表2-9~2-11。

表2-9. FProtStat (0DAh)寄存器格式

表2-10. Status (000h)寄存器格式

表2-11. Config2 (0ABh)寄存器格式

當(dāng)MAX17330置位ALRT信號(hào)時(shí)，主機(jī)將執(zhí)行以下操作：

Read Status register data

If Status.CA is set

Read ChgStat register

If ChgStat.Dropout = 1 → increase VOUT

If (ChgStat.CP or ChgStat.CT) = 1 → decrease VOUT

Clear Status.CA

參見表2-12~2-13。

表2-12. 狀態(tài)寄存器(000h)格式

表2-13. ChgStat (0A3h)寄存器格式

圖2-6顯示了從Excel文件的記錄數(shù)據(jù)提取的并聯(lián)充電曲線。請(qǐng)注意該曲線隨步進(jìn)充電曲線的變化情況。

圖2-6. 并聯(lián)充電曲線

另外，一旦器件從恒流(CC)階段轉(zhuǎn)為恒壓(CV)階段，降壓轉(zhuǎn)換器生成的電壓可以降低如下：

??If VBATT?= ChargingVoltage
? ? ? ? ? ? ? ? ??Read ChgStat Register
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? If ChgStat.CV = 1 → decrease VOUT?until VPCK?= ChargingVoltage + 25 mV

以上就是管理1S2P充電配置所需的所有步驟。MAX17330-usercode.zip 中包含了配置降壓轉(zhuǎn)換器(MAX20743)以及充電器和電量計(jì)(MAX17330)的Python代碼。其中還包含了用于捕獲重要充電參數(shù)和評(píng)估步進(jìn)充電曲線的Excel數(shù)據(jù)日志。通過管理MAX17330產(chǎn)生的警報(bào)信號(hào)，微控制器可保持MAX17330的線性充電器接近壓差，從而更大限度地降低功耗并支持高充電電流。使用MAX17330的電池包可存儲(chǔ)已安裝電池的參數(shù)，以便主機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)高效快速充電。這使得OEM可以用更簡(jiǎn)單、更便宜的降壓轉(zhuǎn)換器取代標(biāo)準(zhǔn)充電器IC器件，而不影響性能或可靠性。

設(shè)備充電時(shí)間是最重要的用戶體驗(yàn)考量因素之一。MAX17330降壓轉(zhuǎn)換器采用小型IC封裝，可以有效管理非常高的電流，從而縮短充電時(shí)間。通過采用兩個(gè)MAX17330等的方式可支持以高電流并聯(lián)充電，讓開發(fā)人員能夠以安全可靠的方式為多個(gè)電池充電，從而大幅節(jié)省充電時(shí)間。

編輯：黃飛

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