2.主电流回路
主电流回路即指在电量计的控制下对电池进行充电、放电的电流回路。当充电时,该回路的电流从PACK+开始,经过用于控制充电和放电的开关FETs、化学保险丝、电池和电流采样电阻,最终回到PACK-。
2.1充、放电FETs
充、放电的两个N-CH FETs以漏极对接的方式串联在PACK+和电池组的正极,如图2-1所示,Q2、Q3分别是充、放电FET。当进行充电或放电时,Q2和Q3同时导通;当充电停止时,Q2关断;当放电停止时,Q3关断。
图2-1 充、放、预充、预放电MOSFET电路图
在进行FETs选型时应注意以下两点:(1)FET的额定电压值必须大于电池的最大电压;(2)考虑到放电时负载端产生反电动势的情况,放电FET的额定电压值应比充电FET稍大。
其驱动信号CHG和DSG上的栅极驱动电阻典型值分别为1kΩ和4.02kΩ,该阻值不同是由引脚内部结构决定的,使FETs的开通时间在几毫秒左右;FETs栅源间电阻典型值为10MΩ, 以确保栅极开路时FETs关断,避免误导通现象。
跨接在FTEs两端的电容C1、C2起到在ESD事件中保护FETs的作用,其两端路径应本着尽可能短和宽的设计原则,同时还应注意C1和C2的额定电压都应比系统相应最大电压更大,从而达到在某一个短路时另一个仍能起到保护作用的效果。 2.2预充、预放电FETs
预充电功能指当电池因过度放电、放置过久的自放电等原因导致两端电压过低时,若直接进入正常充电模式易损坏电池或影响电池使用寿命,此时需使用预充电功能,以小电流将电池充电至正常电压范围内后再转换为正常充电模式。它通过对P-FET的控制实现,预充电流的大小通过限流电阻R2=(VCHARGER-VBAT)/R2设定,同时兼顾对电阻上的热量消耗P=(VCHARGER-VBAT)2/R2的考虑。
预放电功能是指当电池应用于较大的电容负载时,启动瞬间易产生瞬间冲击电流,需先以软起的形式进行缓慢充电,从而减小瞬间大电流。如图1-1所示,来自Pins 16、17或20的驱动信号提供一个高电平使N-CH FET Q10导通,从而将预充电P-CH FET Q8的栅极接入地,使Q8导通,预充电回路打开,其预放电速率由限流电路设定。 2.3 防反接保护
充电器反接会对系统造成极大伤害,因此需为此设计相应的保护电路,如图2-2所示。
图2-2 反接保护电路 若无此保护,当PACK+上出现一个略小的负信号,放电FET将进入线性工作区,影响电路正常工作。但加入防反接电路后,PACK+上的负信号会使栅极接地的N-FET Q9导通,使放电FET的栅源极短路,从而起到保护作用。在选型时应选择具有较低Vgs(th)的N-FET,已达到可靠及时的保护效果。
2.4电芯输入 BQ40z80可以实现2-7节锂电池的管理和保护。对于2-6节的电池,芯片内部包含已集成的电压均衡模块,只需正常进行连接,未使用的Pins短接处理,例如图2-3所示在5节串联电池的应用中需将VC6与VC5短接。同时,每节电芯的输入应设计一个RC滤波电路,在起到ESD保护作用的同时,也可实现对输入电压信号实现初步滤波。考虑到该电阻处在电压均衡回路上,阻值选取应在内部电压均衡和滤波频率间进行均衡。 图2-3 5节电芯输入连接方式 对于7节电芯的电池则需进行额外的设置将电压均衡设置在外部,其连接方式如图2-4所示,其中,Pin VC7EN使能对7P的电压测量。 图2-4 7节电芯连接方式及其外部电压均衡模块 2.5电流采样电阻
通过由采样电阻所确定的回路电流值及方向是电量计的重要输入信号。BQ40z80内部有一个用于电流检测的集成Delt-sigma ADC,可实现的测量范围是-0.1V到0.1V。通过Pins SRP、SRN检测到的采样电阻两端的压降判断流经电池的电流,一方面用于判断系统处于充电还是放电模式,当检测到VSR=V(SRP)-V(SRN)为正值时,系统处于充电状态,反之处于放电状态;另一方面通过库伦计得到的积累电荷是电量计算的关键参数之一。
BQ40z80推荐的采样电阻阻值为1mΩ-3mΩ。对于大电流的应用场合,在确保可靠的开尔文连接的前提下支持并联采样电阻的方案。为防止短路情况下的大电流使电阻两端电压值超过Pins SRP、SRN的最大绝对输入值0.3V,两个100Ω的电阻R36、R37应串联接入采样信号。 图2-5 采样电阻开尔文连接 综上,如何确保较高的测量精度是设计采样电阻时的关键。应注意以下三点:(1)连接方式应选择开尔文连接,如2-5图所示;(2)电阻选型应注意使其温漂小于50ppm,以减小因温度变化引起的测量电流的漂移;(3)设计合适的滤波电路以减小噪声干扰,详见3.1节。
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