超低功耗的鋰電池管理系統電路模塊設計

為了滿足某微功耗儀表的使用，提高安全性能，提出了一種超低功耗鋰電池管理系統的設計辦法。采用雙向高端微電流測試電路，結合開路電壓和電荷積分算法實現電量測試。采用紐扣電池代替DC/DC降壓電路最大程度降低功耗。系統實現了基本保護、剩余電量測試、故障記錄等功能。該鋰電池管理系統在儀表上進行驗證，結果聲明具有良好的穩定性和可靠性，均勻工作電流僅145μA。

保護執行電路：電路是保護動作的執行機構，CH是充電控制開關，DISCH是放電控制開關，通過控制CH和DISCH做出相應的保護動作，電路圖如圖所示。

CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時M1和M2均導通。當出現放電過流或者過放電狀態，DISCH置為高電平，此時Q2斷開，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間封閉，完成保護。當出現充電過流或者過充電狀態，將CH置為高電平，封閉M1。電路中MOSFET選用了IRF4310，該MOSFET導通電阻僅為7kΩ，通流能力可達140A。

雙向高端微電流測試電路：在單電源供電的微小信號測試使用中，由于采樣電壓很小，常受制于運放的供電軌而難以完成對小信號的測試。本設計中采用了電流高端測試電路，可以擺脫單電源供電對小信號測試的限制。高端測試電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運放，電路示意圖見圖。

此電路可以實現對雙向小電流的采樣放大及判定電流的方向。R9為采樣電阻，考慮到短路時電流較大，其阻值一般很小，本辦法中R9阻值設為25mΩ。當電池處于放電狀態，假定電流源、R9和LOAD組成的環路電流方向為順時針，此時DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4，R5輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當電池處于充電狀態時，回路電流為逆時針方向，此時由運放U1完成對電流信號的放大，DIR1為高電平，DIR2為低電平。當電池處于閑置狀態回路無電流時，DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態。

電源設計：采用了紐扣電池給系統供電的設計辦法，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降壓芯片的損耗功耗，電路示意圖如圖所示。

圖中R為數字電位器，選用ADI公司的AD5165，它的調節范圍從0～100kΩ，靜態電流僅50nA。V1和V2為紐扣電池，選用日本精工的MS920SE，該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時間到來依據電池包電壓值CELL4+調整電位器的阻值，R=（R1+R2）［（CELL4+）-3.6V）］，閉合開關W1和W2并采集pOW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓，說明紐扣電池電壓過低，則斷開W2并調節數字電位器用適當的電流對紐扣電池進行充電。下一個采集周期到來重新調整數字電位器R，閉合W1和W2并采集pOW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量是不是洋溢，若D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓，說明紐扣電池洋溢，則斷開W1和W2。由此完成對紐扣電池的充電調節控制。3.3V數字電源經LC濾波轉換成模擬電源。

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