剖析多節(jié)鋰電池充電管理方案-TPS54201在掃地機(jī)器人的應(yīng)用

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作者： Stone Zeng （South China Mass Market）

隨著智能家居的流行，掃地機(jī)器人成為了年輕的都市白領(lǐng)的新寵，已經(jīng)晉升為家庭必備家電三小件之一。 掃地機(jī)器人不僅可以完成瑣碎的掃地工作，還可以自動(dòng)回充，通常使用4節(jié)鋰電池串聯(lián)供電。目前市面上掃地機(jī)的充電管理大多采用分立方案實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，MCU實(shí)時(shí)采樣電池的充電電壓和充電電流，輸出PWM經(jīng)電平轉(zhuǎn)換控制MOS實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于MCU資源有限，開關(guān)頻率通常在50K赫茲以下，外圍器件多且功率電感體積大，此外，分立方案沒有過流，短路保護(hù)功能。

圖1 分立方案VS TPS54201-鋰電池充電管理

TPS54201 是一款輸入電壓范圍為 4.5V 至 28V 的 1.5A 恒流驅(qū)動(dòng)器，通過控制PWM 引腳調(diào)節(jié)電流。在SOT23-6封裝內(nèi)集成 150mΩ 和 70mΩ MOSFET，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換效率。如圖2 所示，通過MCU采樣電池電壓，輸出PWM控制TPS54201的充電電流，僅需4.7uH電感和極少的外圍元件就可以組成一個(gè)完整的鋰電池充電管理方案。 充電電流可達(dá)1.5A，支持1~6節(jié)鋰離子電池，同時(shí)也支持磷酸鐵鋰電池。與分立方案相比，TPS54201充電方案不再需要電平轉(zhuǎn)換電路，電流采樣電路，MOS管和整流二極管，同時(shí)集成了過流短路保護(hù)功能。

圖2 基于TPS54201多節(jié)鋰電池充電方案

為了更好的保護(hù)鋰電池，一般要求充電過程按涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電截至四個(gè)階段。圖3是TPS54201的充電管理流程圖，以四節(jié)鋰電池為例，當(dāng)適配器插入后，初始的PWM占空比D_PWM=0，當(dāng)MCU 檢測(cè)到電池電壓小于12.8V， 設(shè)定D_PWM=10%， 進(jìn)入預(yù)充階段，此時(shí)的充電電流是額定電流的10%。當(dāng)電池電壓上升并達(dá)到12.8V后，設(shè)定D_PWM=100%，進(jìn)入恒流充電階段，充電電流上升至額定電流。隨著充電電壓上升并達(dá)到額定電壓16.8V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段，以1%為步長（step），逐步減少D_PWM，保持電池電壓接近額定電壓16.8V。最后D_PWM減少至10%時(shí)，充電電流等于截至電流（通常為10%的額定充電電流），設(shè)定D_PWM=0%， 充電截至。

圖3 TPS54201充電管理流程圖

總的來說，TPS54201充電方案外圍器件少，控制邏輯簡單，集成過流和短路保護(hù)，最高支持6節(jié)電池及1.5A充電電流，非常適合在掃地機(jī)中應(yīng)用，也適用于其他成本敏感型應(yīng)用。

審核編輯：金巧