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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、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，用來實時監(jiān)控電池溫度，提高電池的安全性，溫度信號可輸出。
常用的智能電池接口一般有 5 個信號，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 I2C 設(shè)備接入整個系統(tǒng)的 I2C 總線，和總線的上的其他設(shè)備進行信息的交換。
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
- 內(nèi)置 PTC (正溫度系數(shù)) 熱敏電阻，常溫下 10K,60 度為 70K
實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、智能電池以及其它設(shè)備進行實時通信，交換信息。一個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)
主機可以通過 SMBus 對整個系統(tǒng)，包括系統(tǒng)電源，電池以及充電器進行管理。也可以脫離主機，只由電池和充電器組成相對簡單的智能電池充電器系統(tǒng)。本參考設(shè)計即為后者。
基于 LPC845 的智能電池
充電器參考設(shè)計方案
參考設(shè)計方案使用 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 通信功能可實現(xiàn) LCD 顯示功能。利用芯片串口通信功能，可擴展開發(fā)在 PC 機上進行串口信息打印。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 GPIO 管腳，可滿足基本功能和擴充功能的開發(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)計方案的功能框圖，圖中藍線所示為 SMBus，控制器 LPC845 通過它和智能電池交換實時充電信息。
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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。
- 實時監(jiān)控熱敏電阻 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，用來提供更詳細更精確的實時充電狀態(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，則認為電池為空電池，先以小電流(65mA)進行預(yù)充，同時監(jiān)測電池（充電）電壓；
當電池電壓>6.3v 時，進入恒流充階段，使用 350mA 進行快充，調(diào)節(jié) PWM 占空比來穩(wěn)定電流，同時監(jiān)測電池（充電）電壓；
當電池電壓>8.15v 時，已達到滿充電壓，進入恒壓充階段，使用 8.15V 進行快充, 同時監(jiān)控充電電流；
當充電電流<40mA 時，認為電池充滿，結(jié)束充電。
如圖所示為智能電池充電器充電階段示意圖，橫軸為充電時間，縱軸為電池（充電）電壓及電流。紅線為充電電流，藍線為電池（充電）電壓。
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圖 6 充電階段示意圖
如果對一個空電量或電量很低的的智能電池進行充電，則充電過程將會是一個完整的充電過程，包括充電中的所有階段。而如果智能電池有殘余電量，則充電階段往往會跳過預(yù)充階段，充電時間也會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，也能讓用戶了解當前的充電情況。
藍燈點亮表示正處于正常的充電狀態(tài)中，
綠燈點亮表示充電正常結(jié)束，
紅燈閃爍則表示電池狀態(tài)錯誤，比如電池不在位，電池過期，或者充電錯誤，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間；
- 電池充滿時（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)
通過以上對智能電池以及智能電池充電器參考設(shè)計方案的介紹，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時數(shù)據(jù)，更準確地了解智能電池的實時狀態(tài)，以最大程度地延長電池的使用壽命，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 來完成這個參考設(shè)計，不但可以利用 LPC800 系列的低成本優(yōu)勢，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)上實現(xiàn)諸如信息顯示，系統(tǒng)通信和系統(tǒng)管理的擴展功能，使得該參考設(shè)計具有很強的針對性和靈活性。
更多有關(guān)本次參考設(shè)計的具體設(shè)計細節(jié)可參考即將在 NXP 官網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)應(yīng)用筆記。
