超低功耗的鋰電池管理系統電路模塊設計

　　為了滿(mǎn)足某微功耗儀表的應用，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方案。采用雙向高端微電流檢測電路，結合開(kāi)路電壓和電荷積分算法實(shí)現電量檢測。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(shí)現了基本保護、剩余電量檢測、故障記錄等功能。該鋰電池管理系統在儀表上進(jìn)行驗證，結果表明具有良好的穩定性和可靠性，平均工作電流僅145μA。

　　保護執行電路：電路是保護動(dòng)作的執行機構，CH 是充電控制開(kāi)關(guān)，DISCH是放電控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CH和DISCH做出相應的保護動(dòng)作，電路圖如圖所示。

　　CH和DISCH在正常工作時(shí)置為低電平，此時(shí)M1和M2均導通。當出現放電過(guò)流或者過(guò)放電狀態(tài)，DISCH 置為高電平，此時(shí)Q2斷開(kāi)，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關(guān)閉，完成保護。當出現充電過(guò)流或者過(guò)充電狀態(tài)，將CH置為高電平，關(guān)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。

　　雙向高端微電流檢測電路：在單電源供電的微小信號檢測應用中，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檢測。本設計中采用了電流高端檢測電路，可以擺脫單電源供電對小信號檢測的限制。高端檢測電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運放，電路示意圖見(jiàn)圖。

　　此電路可以實(shí)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(shí)電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設為25mΩ。當電池處于放電狀態(tài)，假定電流源、R9和LOAD組成的環(huán)路電流方向為順時(shí)針，此時(shí)DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導通。流過(guò)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(tài)時(shí)，回路電流為逆時(shí)針?lè )较?，此時(shí)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(tài)回路無(wú)電流時(shí)，DIR1和DIR2均為低電平。通過(guò)DIR1和DIR2的邏輯狀態(tài)可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態(tài)。

　　電源設計：采用了紐扣電池給系統供電的設計方案，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(tài)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(shí)間到來(lái)根據電池組電壓值CELL4+ 調整電位器的阻值，R= （R1+ R2）［（CELL4+）-3.6V）］，閉合開(kāi)關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓，由此來(lái)判定紐扣電池的電量。若D1陽(yáng)極電壓值小于充電閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池電壓過(guò)低，則斷開(kāi)W2并調節數字電位器用適當的電流對紐扣電池進(jìn)行充電。下一個(gè)采集周期到來(lái)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(lái)判定紐扣電池的電量是否充滿(mǎn)，若 D1陽(yáng)極電壓大于充電完成閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池充滿(mǎn)，則斷開(kāi)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(jīng)LC濾波轉換成模擬電源。