基于LPC845的智能电池充电器参考设计方案

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基于LPC845的智能电池充电器参考设计方案

主要内容
智能电池介绍
智能电池充电器基本原理
基于LPC845的智能电池充电器参考设计方案
− 功能框图
− 硬件描述
− 主要功能
− 具体规格和充电阶段
− 信息输出
总结



智能电池介绍
智能电池是众多锂充电电池中的一种，它自带SMBus（System Management Bus）。SMBus是一种I2C总线，遵从I2C总线协议和电气特性。智能电池可通过SMBus在系统主机、智能电池、智能电池充电器和其它智能设备之间传递命令和数据信息。
智能电池通常还自带热敏电阻，用来实时监控电池温度，提高电池的安全性，温度信号可输出。常用的智能电池接口一般有5个，分别为：
1. Vbat
2. Temperature
3. SMBus-SCL
4. SMBus-SDA
5. GND

不同的智能电池规格略有不同，本参考设计方案使用的智能电池规格如下：
• 两芯可充电锂电池
• 空电池电压为6V
• 充满后电压为8.15V
• 最大可充电电流2A
• 5个输出接口（Vbat, Temperature, SCL, SDA,GND）
• 控制芯片为BQ40Z50, 可接收ChargingCurrent(),ChargingVoltage() 等命令查询，其它命令可参照芯片技术手册
• 内置PTC (正温度系数) 热敏电阻，常温下10K, 60度为70K

智能电池充电器基本原理
智能电池充电器系统（SBS-Smart Battery System）和传统的充电器相比更为智能化，它具备和智能电池，主机以及应用系统内其它设备通过SMBus通信的功能。
一个完整的智能电池充电器应用系统如右图所示。主机可以通过SMBus对整个系 统，包括电源和电池进行管理。也可以脱离主机，只由充电器和电池组成相对简单的智能电池充电器系统。本参考设计即为后者。

智能电池充电器的种类
根据智能电池充电器官方组织SBS Implementer’s Forum (SBS-IF)发布的智能电池充电器设计规范版本1.1，目前智能电池充电器按功能分为两类：Level2 和 Level3Level2智能电池充电器：充电器工作在Slave方式，它只接收智能电池发来的ChargingVoltage() 和 ChargingCurrent()信息，智能电池决定何时发出这些信息。Level3智能电池充电器：充电器工作在Slave或者master方式，它可决定何时向智能电池发出查询命令，以便得到ChargingVoltage() 和 ChargingCurrent()信息，并根据这些信息来动态调整充电电压，以使得充电过程处于最佳状态。本参考设计为Level3智能电池充电器。


基于LPC845的智能电池充电器参考设计方案
本参考设计方案使用LPC845作为控制芯片，利用芯片的GPIO, PWM, ADC 和 I2C功能可实现最基本的充电管理，电池SMBus通信和LED显示功能。利用芯片的SPI通信功能可实现LCD显示功能。利用芯片串口通信功能可扩展开发在PC机上进行串口信息打印。利用芯片的其他未用的GPIO和通信模块可扩展开发应用系统通信和管理的功能。功能模块主要由以下部分组成：
• 电源部分：12v DC输入。一路提供给降压变换器（Buck converter），输出充电电压。一路提供给LDO，输出3.3v和5v。
• 降压变换器：可根据输入PWM波的占空比来调节输出电压，提供智能电池充电电压。
• 控制芯片LPC845，64个管脚，可满足基本功能和扩充功能的开发。
• 智能电池接口。
• 输出显示：三色LED，2.8吋 LCD


功能框图


硬件描述



主要功能
• 提供完整的3个充电阶段：预充(Pre-charging)、恒流充(Constant Current charging) 和 恒压充(Constant Voltage charging)。
− 通过SMBus查询智能电池的ChargingVoltage() 和 ChargingCurrent()信息来判断目前所处的充电状态，动态调整充电电压。
• 通过SMBus查询智能电池的BatteryStatus()信息，若有告警则停止充电。
• 实时监控热敏电阻Rss阻值，判断电池是否处于过热状态以及智能电池是否在位。
− 热敏电阻开路： Rss > 1M 可用开判断智能电池是否在位
− 热敏电阻处于正常阻值： 10k < Rss < 70k 智能电池没有过热情况发生
− 热敏电阻 70K < Rss < 500k 智能电池过热，停止充电
• 3色LED指示灯，用来指示充电状态
• LCD显示，用来提供更详细更精确的实时充电状态



智能电池充电器具体规格
智能电池充电器具体规格：
− 输入规格
▪ 输入电压 直流 +12V
▪ 输入电压范围 最小: 9V 最大: 15V
▪ 输入电流 500mA
▪ 输入电流范围 最小: 400 mA 最大: 600mA
− 输出规格
▪ 输出电压 ( 结束充电) 直流 8.15V
▪ 输出电压范围 最小: 6V 最大: 8.4V
▪ 输出电流 ( 恒流充电) 350 mA
▪ 输出电流范围 最小: 0 mA 最大: 385 mA



智能电池充电器充电阶段

充电阶段：
− 空电池以小电流(65mA)进行预充，同时监测充电电压
− 使用恒流 (350mA)进行快充，调节PWM占空比来稳定电流，
同时监测充电电压
− 使用恒压 (8.15V)进行快充, 同时监控充电电流
− 电池充满，结束充电
不同充电阶段间转换条件：
− 当电池电压<=6.3v，认为电池为空电池，进入预充阶段
− 当电池电压>6.3v时，进入恒流充阶段
− 当电池电压>8.15v时，已达到满充电压，进入恒压充阶段
− 当充电电流<40mA时，结束充电

智能电池充电器充电阶段示意图
如果对一个空电量或电量很低的的智能电池进行充电，则充电过程将会是一个完整的充电过程，包括充电中的所有阶段，时间不超过2小时。而如果智能电池有残余电量，则充电阶段往往会跳过预充阶段，充电时间也会随着残余电量的不同而有所不同。

智能电池充电器信息输出
3色LED灯指示

智能电池充电器信息输出
LCD显示输出
  − 预充：显示温度、电池电压、充电电流和电池电量
  − 恒流充：显示温度、电池电压、充电电流、电池电量和剩余充电时间
  − 恒压充：显示温度、电池电压、充电电流、电池电量和剩余充电时间
  − 电池充满：显示温度、电池电压、充电电流和电池电量

总结
通过以上对智能电池以及智能电池充电器参考设计方案的介绍，使用新型的智能电池充电器，可以更方便地获取智能电池的实时数据，更准确地了解智能电池的实时状态，以最大程度地延长电池的使用寿命，确保每块电池都能保持良好状态，更快速精确地给电池充满电量。而使用LPC845来完成这个参考设计，不但可以利用LPC800系列的低成本优势，完成智能电池充电器的基本充电管理功能，还可以在此基础上实现诸如信息显示，系统通信和系统管理的扩展功能，使得该参考设计具有很强的针对性和灵活性。有关本次参考设计的具体设计细节可参考即将在NXP官网上发布的相关应用笔记。

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