By Toradex Andrija Stojkovic

 

歡迎閱讀本博文，這裡我們將向你介紹在嵌入式系統中鋰電池的應用概況。本文是 4 篇系列文章的第二篇。

正如我們已經知道的，我們需要在載板上使用智慧系統為電池組實現控制、保護和充電功能。其必須具備電流和電壓保護。我們希望能夠在任何時刻都可以監控每個電池單元的準確電壓。如果我們使用串聯配置，那麼還需要有平衡系統，用於保持每個單元在相同的充電水平。配合充電電路，這些元件就組成了電池管理系統。每個生產商都會提供不同的方案，有些裝置集成了多種功能，所以我們必須仔細選擇。在本文中，我會向你提供一些有用的連結作為參考方案的開始，當然，在下面列表之外還有更多的供應商。

http://www.ti.com/power-management/battery-management/overview.html
http://www.analog.com/en/products/power-management/battery-management.html
https://www.richtek.com/battery-management/en/index.html
https://www.intersil.com/en/products/power-management/battery-management.html
https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management.html

http://www.lapis-semi.com/en/semicon/monitor/index.html

對於我們更加重要的是理解系統方案。所以我們需要首先看一下通用的系統框圖。

                                              

通用電池管理系統框圖

讓我們從一般的工作模式開始。載板上的 計算機模組

和外設由電池組供電。電池組具有電壓保護和電池單元平衡功能。這取決於你的電池組，可能這些功能已經整合其中。如果你使用的是由兩個電池單元串聯而成的 2S1P 電池組，那麼這些功能需要在載板上實現。電量計測量電池的電流和電壓。通過充電計量（庫倫）可以知道實際的充電狀態。穩壓器確保為電路提供所需的電壓，而不受電池電壓變化的影響。電壓轉換器的輸入電壓至少需要擁有和電池同樣的範圍。讓我們來考慮下幾個要點。根據不同的電池電壓，轉換拓撲可能是降壓、升壓甚至降壓-升壓轉換器。轉換器需要能夠提供足夠的電流輸出並且較低的功率耗散。在待機模式下需要保持極低的功耗，這一點非常重要，否則電池將會隨著時間推移而被放電。

我們如何進行充電？外部電源用於電池充電。我們需要一個充電方案來實現衡流和衡壓充電方式。為了使用衡流充電，充電方案必須提供高於電池現有電壓的充電電壓。很簡單，再也沒有比智慧穩壓器更好的選擇了。關於輸入和輸出電壓、功率耗散和拓撲的設計問題也都是一樣。我可舉個例子，兩節串聯的電池組需要使用 9v 或者 12v 外部電源充電。電池充電器只需要使用降壓轉換器拓撲即可。假設我們的外設和晶片只需要 3.3V 供電，那麼也只需要使用輸入電壓為 5V 到 8.4V 的降壓拓撲的電壓轉換器。針對嵌入式裝置，我建議使用 2 單元串聯配置，這些裝置通常只需要 3.3V 和 5V 電壓。第二個 DC/DC 轉換器可用於 5V 輸出。如果只使用一個電池單元，將會變得複雜。因為其需要降壓-升壓轉換器。我推薦只使用一個電源，這可以用一個簡單的充電 IC。但最終這還是由你的應用決定。當你的市場團隊需要使用 USB 充電功能時，這也將稍微複雜些。我將會在下一部分的內容中提及這種需求。

在我們簡化的通用鋰電池管理系統中，你可以找到電池、充電器、DC/DC 轉換器之間的切換電路。對於這種切換電路的需求卻決於當嵌入式裝置在執行期間，你是否想要將完全充電的電池從外部供電電路隔離出來。我建議在充電之後隔離電池和嵌入式系統以及外部供電電路，避免額外的損耗。 計算機模組和充電管理晶片通訊獲得所有的狀態和設定資訊。當然，我在博文中沒法覆蓋所有各種電池管理系統。例如，有些電池組中已經集成了部分電路。這種情況下，電池組一般會提供通訊介面。

我希望我已經闡明瞭基本的電池管理元件，以便您有一個清晰的概念。現在可以更加容易地理解上面連結的內容，為您的設計選擇合適的方案。在本系列的第四篇文章中，我們介紹一個電池管理系統案例，您可以根據你的需求進行修改。

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