多節(jié)鋰電池充電管理方案-TPS54201在掃地機器人的應用

隨著智能家居的流行，掃地機器人成為了年輕的都市白領的新寵，已經(jīng)晉升為家庭必備家電三小件之一。 掃地機器人不僅可以完成瑣碎的掃地工作，還可以自動回充，通常使用4節(jié)鋰電池串聯(lián)供電。目前市面上掃地機的充電管理大多采用分立方案實現(xiàn)，如圖1所示，MCU實時采樣電池的充電電壓和充電電流，輸出PWM經(jīng)電平轉換控制MOS實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于MCU資源有限，開關頻率通常在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 恒流驅動器，通過控制PWM 引腳調節(jié)電流。在SOT23-6封裝內集成 150mΩ 和 70mΩ MOSFET，可實現(xiàn)高達95%的轉換效率。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完整的鋰電池充電管理方案。 充電電流可達1.5A,支持1~6節(jié)鋰離子電池，同時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換電路，電流采樣電路，MOS管和整流二極管，同時集成了過流短路保護功能。

圖2 基于TPS54201多節(jié)鋰電池充電方案

為了更好的保護鋰電池，一般要求充電過程按涓流充電(低壓預充)、恒流充電、恒壓充電以及充電截至四個階段。圖3是TPS54201的充電管理流程圖，以四節(jié)鋰電池為例，當適配器插入后，初始的PWM占空比D_PWM=0，當MCU 檢測到電池電壓小于12.8V, 設定D_PWM=10%, 進入預充階段，此時的充電電流是額定電流的10%。當電池電壓上升并達到12.8V后，設定D_PWM=100%，進入恒流充電階段，充電電流上升至額定電流。隨著充電電壓上升并達到額定電壓16.8V時，進入恒壓充電階段，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，充電電流等于截至電流（通常為10%的額定充電電流），設定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，最高支持6節(jié)電池及1.5A充電電流，非常適合在掃地機中應用，也適用于其他成本敏感型應用。

審核編輯：郭婷