SMBus編程智能電池充電器的設計

     個人計算機領域流行用智能電池,這是因為智能電池能提供本個工業標準、高精度氣壓計（gasgauge）系統。智能電池符合智能電池供電系統（SBS）所定義的元件所有工作性能指標,電池具有跟蹤有關電池充電和使用信息的嵌入控制器。通過串行、2線SMBus接口提供信息到系統。可詢問電池信息包括剩余容量、總容量、在現有放電速率下時間余、放電電流、終端電壓等。由于大多數智能電池在總線中可成為主機,所以電池可控制智能電池充電器使其最佳充電。Linear公司LTC1759智能電池充電器IC設計用于控制這類智能電池。另外,由電池提供的安全信號指示電池是否呈現在系統中和是否有熱引起的告警或在其他系統失效時是否電池失效。SBS顯著特點是安全、使用容易和兼容性。

     SBS規范允許兩種類型智能電池充電器（SBC）：Level2充電和Level3充電器。Level2充電器（如LTC1759）是SMBus上的從機,響應來自電池的命令控制充電。Level3充電器可以是SMBus上的主機或從機,它可詢問電池確定充電信息。SBC與電池化學類型無關。它響應來自電池的命令提供充電電流和充電電壓。電池的零電流（或零電壓）或終止充電報警形式發出充電終止。假若安全信號指標電池不存在或安全充電電池太熱,則充電也將終止。

     LTC1759是一款完整的Level2智能電池充電器。它能在SMBus接口上用接收和譯碼命令自動充電智能電池。LT1759遵從智能電池充電器規范的全部安全要求,包括3分鐘定時器（保護SMBus通信換效和喚醒模式期間鋰離子電池過充電）。硬件可編程電注和電壓限制提供另外等級保護,這種保護由失效軟件不可能改變。

     LTC1759管理智能電池充電系統的所有復雜事物。它具有SBC依從性、安全、輸出電壓精確、SMBus加速泵、墻式適配器電流限制等特性。它把智能充電器的恒流（CC）、恒壓（CV）、電流模式開關電池充電器電路融合于一身。

     電路描述

     LTC1759包括：一個同步、電流模式、PWM降壓開關控制器,一個充電器控制器,兩個控制充電器參量的10位DAC,一個熱敏電阻安全信號譯碼器,硬件電壓和電流限制譯碼器和一個SMBus控制器單元（見圖1）。

     智能電池或系統控制器通過SMBus接口命令對恒漢和恒壓限值進行編程。降壓變壓器用N-溝MOSFET做為開關,使成本降低、高效率工作。熱敏電阻安全檢測電路檢測電池存在或確定電池溫度是否允許安全充電。

     當通過SMBus傳輸接收恒流值時,它被RILIMIT定標和限制到低于編程值。此修正值編程電流DAC,設置DC充電電流。電流DAC是10位△∑DAC,當希望充電電流時,它從PROG引腳吸收電流（見圖2）。放大器PROG引腳吸收電流（見圖2）。放大器CAI感測RSENSE上的壓降并使此電壓跨接到RS2（200Ω）;流經RS2的電流通過電流鏡像做為PROG引腳上的上接電流。流經RS2電流與來自PROG引腳電流相匹配由CA2實現恒流工作。由于DAC輸出是一串脈沖,所以需要平滑電容器對脈沖濾波使其變為DC。

     當經SMBus傳輸接收恒壓值時,該值由RVLIMIT電阻器定標、調節以消除補償和限定到低于可編程值。此修值編程電壓DAC,設置DC充電電壓。電壓DAC激勵內部電壓分壓網絡的低端。電壓分壓器頂端通過BAT2引腳直接連接到電池輸出。電壓誤差放大器VA對VSET引腳上的分壓電池電壓與內部精密基準電壓比較。VA放大器輸出配置成可以激勵PROG引腳的電流源。PROG引腳是電流和電壓反饋環路的電流求合結點。當電池電壓超過編程電壓時,VA環路周期挪用電流反饋環路的控制,迫使充電電流降到維持編程電壓所需的電平。由于△∑DAC輸出是一串脈沖,所以需要一個平滑網絡濾波脈沖使其變為VSET引腳的DC。電容器C5和C4構成電容分壓器,為來自電池的反饋電壓提供濾波,同時濾波DAC脈沖。

     LTC1759需要兩個電源。PWM電路在墻式適配器電源斷開時直接通過Vcc引腳運行,邏輯功能運行與VDD電源無關。PWM電路在去掉AC電源時能進入40μA微功率停機模式,使邏輯和SMBus工作能保持運行,這是Intel ACPI標準所需要的。這種分離電源也使邏輯和SMBus能根據系統設計為員的需要運行在3V和5V.為使LTC1759邏輯功耗最小,邏輯電流由時鐘電路激勵,時鐘電路當無動作時停機并蘇醒服務于SMBus動作或產生中斷。一旦請求服務,LTC1759便返回到休眠。

     當去掉AC電源或去掉電池時,通過CHGEN-SDB引腳組合發生PWM停機。LTC1759通過DCDIV通腳檢測AC損耗。閾值通常設置恰好低于墻式適配的最小有效電壓。AC電源狀態通過SMBus可由系統讀出。UV引腳只用于置PWM電路進入微功率停機狀態,它直接連到墻式適配器電源。

     在設計中電感器選擇不是關鍵,這是因為充電器的環路響應在意地設置很慢。實際的低限值為15μH左右,低值電感器將產生較高的紋波電流,在輸出需要較低ESR電容器。

     輸出電容的選擇對ESR（等效串聯電阻）不是很苛刻,但必須處理來自充電器的所有紋波電流。不用考慮電池的紋波電流,因為充電器有效阻抗遠遠大于電感器的ESR。很多電池組具有內部串聯保護MOSFET,這提高了電池ESR。在多電池配置中也有與電池串聯的功率路由MOSFET,進一步增加了電池ESR。從充電器觀點,輸入電容器ESR可高達1Ω,使電容器選擇范圍寬。當采用電阻或電子負載時,可能會發生某種不穩定性。增加300Ω電阻器與PROG引腳電容器串聯或在輸出置10μF電容器能改善穩定性。在輸出不需要用陶瓷電容器,因為在很輕負載電流聲頻下開關變換器變得不連接和在下降周期開始時電容器會造成噪聲,應該采用鉭電容。輸入電容選擇由充電器輸入紋波電流（一般為最大輸出電流的1/2）決定。對于4A充電器建議用22μF（50V）陶瓷電容器,它一般可處理2A紋波電流。

     從電池到墻式適配器的電流保護由P-溝MOSFET（Q1）提供。電壓比較器監控跨接在MOSFET上的電壓而且當墻式適配降到電池電壓之上小于200mV時關閉MOSFET。盡管價廉的二極管可用于替代以MOSFET,但MOSFET只增加100mV到0.4V低壓差工作模式而不產生額外的熱量。在沒有電池起動時間,采用MOSFET附加二極管使墻式適配器電源能達到Vcc引腳并為PWM控制電路供電。

     主要的補償是d PROG引腳上進行;然而DAC脈沖濾波要求確定電容器有效值。脈沖紋波電流必須小平200mV或環路起伏（在輕載充電電流時出現的環路不穩定性）。Vc引腳電容器的主要功能是提供自啟動支持。必須有一個1.5K電阻器與Vc引腳電容器串聯以能恰當停機。

     從熱觀點考慮,輸出電壓在電池溫度充電范圍內保持大約0.5%精度。精度越高,電流充電容量就越大,而更重要是在電池中與電壓基充電終端電路有關的問題就會更少。

     關于SMBus加速泵,AC適配電流限制,安全信號感測,安全電壓和電流范圍設計等問題在此就不一一詳述。

     結語

     LTC1759遵從智能電池系統組織發表的智能電池充電器標準。充電器控制器也遵從Intel的ACP標準,甚至當沒有AC墻式適配器電源時也能響應系統指令。該充電器提供最寬的電流和電壓工作范圍。LTC1759具有價廉、高性能和安全的特點,比其他智能電池充電器優越。