基于LPC845智能電池充電器參考設(shè)計(jì)方案 智能電池介紹

智能電池是眾多鋰充電電池中的一種，它自帶 SMBus（System Management Bus）。SMBus 是一種 I2C 總線，遵從 I2C 總線協(xié)議和電氣特性。智能電池可通過 SMBus 在系統(tǒng)主機(jī)、智能電池、智能電池充電器和其它智能設(shè)備之間傳遞命令和數(shù)據(jù)信息。

如下圖所示即為使用智能電池的一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)組成。

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圖 1 智能電池框圖

智能電池通常還自帶熱敏電阻，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控電池溫度，提高電池的安全性，溫度信號(hào)可輸出。

常用的智能電池接口一般有 5 個(gè)信號(hào)，分別為：

1.Vbat

2.Temperature

3.SMBus-SCL

4.SMBus-SDA

5.GND

由于智能電池帶有 I2C 通信接口，因此它可以作為一個(gè) I2C 設(shè)備接入整個(gè)系統(tǒng)的 I2C 總線，和總線的上的其他設(shè)備進(jìn)行信息的交換。

不同的智能電池規(guī)格略有不同，本參考設(shè)計(jì)方案使用的智能電池規(guī)格如下：

兩芯可充電鋰電池

• 空電池電壓為 6V

• 充滿后電壓最大為 8.4V

• 最大可充電電流 2A

• 5 個(gè)輸出接口（Vbat, Temperature, SCL, SDA, GND）

• 控制芯片為 BQ40Z50, 可接收 ChargingCurrent(),ChargingVoltage() 等命令查詢，其它命令可參照芯片技術(shù)手冊(cè)

• 內(nèi)置 PTC (正溫度系數(shù)) 熱敏電阻，常溫下 10K,60 度為 70K

實(shí)際使用的智能電池如下圖所示：

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圖 2 本方案中使用的電池

智能電池充電器基本原理

智能電池充電器簡(jiǎn)稱為 SBC（Smart Battery Charger）。SBC 和傳統(tǒng)的充電器相比更為智能化。它可以通過 SMBus 和系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)、智能電池以及其它設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，交換信息。一個(gè)完整的智能電池充電器應(yīng)用系統(tǒng)如下圖所示。

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圖 3 智能電池充電器應(yīng)用系統(tǒng)

主機(jī)可以通過 SMBus 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)電源，電池以及充電器進(jìn)行管理。也可以脫離主機(jī)，只由電池和充電器組成相對(duì)簡(jiǎn)單的智能電池充電器系統(tǒng)。本參考設(shè)計(jì)即為后者。

基于 LPC845 的智能電池

充電器參考設(shè)計(jì)方案

參考設(shè)計(jì)方案使用 LPC845 作為控制芯片，利用芯片的 GPIO, PWM, ADC 和 I2C 功能，可實(shí)現(xiàn)最基本的充電管理，電池 SMBus 通信和 LED 顯示功能。利用芯片的 SPI 通信功能可實(shí)現(xiàn) LCD 顯示功能。利用芯片串口通信功能，可擴(kuò)展開發(fā)在 PC 機(jī)上進(jìn)行串口信息打印。利用芯片的其他未用的 GPIO 和通信模塊可擴(kuò)展開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)通信和管理的功能。

1 功能框圖

本設(shè)計(jì)的功能模塊主要由以下部分組成：

電源部分：12V DC 輸入。一路提供給降壓變換器（Buck converter），輸出充電電壓。一路提供給 LDO，輸出 3.3v 和 5v。

降壓變換器：可根據(jù)輸入 PWM 波的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，提供智能電池充電電壓。

控制芯片 LPC845，54 個(gè) GPIO 管腳，可滿足基本功能和擴(kuò)充功能的開發(fā)。

智能電池接口。

輸出顯示：三色 LED，2.8 吋 LCD

如圖所示為本參考設(shè)計(jì)方案的功能框圖，圖中藍(lán)線所示為 SMBus，控制器 LPC845 通過它和智能電池交換實(shí)時(shí)充電信息。

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圖 4 智能電池充電器功能框圖

2 硬件描述

如圖所示為本參考設(shè)計(jì)方案的硬件組成，圖中右邊綠色電路板為 LPC845 智能充電控制板，由 12 伏直流電源供電，上部為 5 芯智能電池接口，和智能電池連接。左邊為 LCD 顯示板。

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圖 5 智能電池充電器硬件組成

3 主要功能

智能電池充電器主要功能如下：

• 提供完整的 3 個(gè)充電階段：包括預(yù)充、恒流充和恒壓充。

LPC845 通過 SMBus 查詢智能電池的 ChargingVoltage() 和 ChargingCurrent()信息來判斷目前所處的充電狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電壓。

• 通過 SMBus 查詢智能電池的 BatteryStatus()信息，若有告警則停止充電。

• 實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崦綦娮?Rss 阻值，判斷電池是否處于過熱狀態(tài)。

• 3 色 LED 指示燈，用來指示充電狀態(tài)。

• LCD 顯示，用來提供更詳細(xì)更精確的實(shí)時(shí)充電狀態(tài)

4 具體規(guī)格和充電階段

智能電池充電器具體規(guī)格：

輸入規(guī)格

• 輸入電壓 ? ? ? ? 直流 +12V

• 輸入電壓范圍 ?最小: 9V ?最大: 15V

• 輸入電流 ? ? ? ? 500mA

• 輸入電流范圍 ?最小: 400 mA ?最大: 600mA

輸出規(guī)格

• 輸出電壓 ? ? ? ? ?( 結(jié)束充電)直流 8.15V

• 輸出電壓范圍 ?最小: 6V ?最大: 8.4V

• 輸出電流 ? ? ? ? ( 恒流充電)350 mA

• 輸出電流范圍 ?最小: 0mA ?最大: 385 mA

智能電池充電器在不同充電階段的具體操作如下：

若電池電壓<=6.3v，則認(rèn)為電池為空電池，先以小電流(65mA)進(jìn)行預(yù)充，同時(shí)監(jiān)測(cè)電池（充電）電壓；

當(dāng)電池電壓>6.3v 時(shí)，進(jìn)入恒流充階段，使用 350mA 進(jìn)行快充，調(diào)節(jié) PWM 占空比來穩(wěn)定電流，同時(shí)監(jiān)測(cè)電池（充電）電壓；

當(dāng)電池電壓>8.15v 時(shí)，已達(dá)到滿充電壓，進(jìn)入恒壓充階段，使用 8.15V 進(jìn)行快充, 同時(shí)監(jiān)控充電電流；

當(dāng)充電電流<40mA 時(shí)，認(rèn)為電池充滿，結(jié)束充電。

如圖所示為智能電池充電器充電階段示意圖，橫軸為充電時(shí)間，縱軸為電池（充電）電壓及電流。紅線為充電電流，藍(lán)線為電池（充電）電壓。

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圖 6 充電階段示意圖

如果對(duì)一個(gè)空電量或電量很低的的智能電池進(jìn)行充電，則充電過程將會(huì)是一個(gè)完整的充電過程，包括充電中的所有階段。而如果智能電池有殘余電量，則充電階段往往會(huì)跳過預(yù)充階段，充電時(shí)間也會(huì)隨著殘余電量的不同而有所不同。

5 信息輸出

智能電池充電器的信息輸出方式有兩種，一種利用 3 色 LED 燈指示基本的充電狀態(tài)，在沒有 LCD 顯示的情況下，也能讓用戶了解當(dāng)前的充電情況。

藍(lán)燈點(diǎn)亮表示正處于正常的充電狀態(tài)中，

綠燈點(diǎn)亮表示充電正常結(jié)束，

紅燈閃爍則表示電池狀態(tài)錯(cuò)誤，比如電池不在位，電池過期，或者充電錯(cuò)誤，比如充電過流，過充，過熱等情況。

下圖為 3 色 LED 燈指示狀態(tài)：

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圖 7 3 色 LED 燈指示狀態(tài)

另一種是在有 LCD 顯示屏的情況下，可輸出更為詳細(xì)的充電信息。

• 在預(yù)充階段（Pre-charging）：可顯示溫度、電池電壓、充電電流和電池電量；

• 在恒流充階段（CC Charging）：可顯示溫度、電池電壓、充電電流、電池電量和剩余充電時(shí)間；

• 在恒壓充階段（CV Charging）：可顯示溫度、電池電壓、充電電流、電池電量和剩余充電時(shí)間；

• 電池充滿時(shí)（Charge Full）：可顯示溫度、電池電壓、充電電流和電池電量

下圖為 LCD 顯示輸出：

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圖 8 LCD 顯示輸出

總結(jié)

通過以上對(duì)智能電池以及智能電池充電器參考設(shè)計(jì)方案的介紹，使用新型的智能電池充電器，可以更方便地獲取智能電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地了解智能電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以最大程度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，確保每塊電池都能保持良好狀態(tài)，更快速精確地給電池充滿電量。

而使用 LPC845 來完成這個(gè)參考設(shè)計(jì)，不但可以利用 LPC800 系列的低成本優(yōu)勢(shì)，完成智能電池充電器的基本充電管理功能，還可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)諸如信息顯示，系統(tǒng)通信和系統(tǒng)管理的擴(kuò)展功能，使得該參考設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對(duì)性和靈活性。

更多有關(guān)本次參考設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可參考即將在 NXP 官網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)應(yīng)用筆記。