便携式设备的便携性是与电池的开展休戚相关的，从开始的铅酸电池、镍镉（Ni-Cd）电池开展到镍氢（Ni-H）、锂离子（Li-ion）电池一向到最近的锂聚合物（Li-polymer）电池，能量密度逐步提高，移动功用越来越强，电池的缺点也不断被战胜。本文就将介绍一个便携式锂聚合物电池的办理体系规划。
体系全体结构
本规划的运用实体是一个工业上运用的便携式设备，选用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式处理器，并运用USB接口与电脑相衔接，面向的是大数据量运用。这个设备需求30V直流电压，所以计划运用4个1000mAh锂聚合物电池串联的电池组；别的，出于防水防尘的考虑，对外只运用一个方形的USB接口（USB B Type Socket），这个USB口一起兼具数据传输和充电的功用。
全体结构如图1所示。操控中心包含FPGA及其所连的接口、显现电路，需求3.3V的低电压，由高效率的DC/DC芯片从4芯锂电池组直接降压得到。这个电压很重要，所以需求保持稳定且接连，除非电池组低电量或许过流保护，不然此电压一向供应。
图1 体系全体结构框图
执行机构需求30V直流电压，电流大约80mA左右，运用一个升压DC/DC电路，这个电路由操控中心操作，平常是不作业的，只在需求动作之前敞开。
充电运用外部20V电源，经过USB接口衔接。运用这种电源的考虑是为了进行1C或0.5C大电流高速充电。由于与一般USB共用一个端口，为了防止接入一般USB时进入充电程序，需求一个电压判别电路进行判别。
由于符合需求的芯片解决计划市场上很难寻找，决议运用FPGA的剩下逻辑资源来完成充电器的操控功用，增加少数的模仿电路来辅佐。这就要求对操控电路的供电不能中止，电池组有必要一向在线，并且电池负极需求一向与GND衔接。
电池电路
1 电压采样
最重要的部分便是电压采样电路的规划，要求精度高并且受温度影响小。这个规划难点在于电池电压关于GND而言是起浮的。许多计划采取了差分运放转换到对地电压然后输入专用ADC进行AD改换的计划。但这个计划由于引入了差分运放，产生了许多问题。首要，电压比较高，运放很难找；其次，运放的电源与输入电压运用同一个电源，这样一来就要求运放需求轨到轨输入的功用；再次，或许还需求一个负电源，运用DC/DC又引入了噪声；别的，运放及运用匹配的电阻使得精度下降。
图2 RC充电电路
为了尽量简化电路，这儿结构了积分型的ADC，将FPGA守时的高精度转化为电压丈量的高精度。
这是一个简略的RC充电电路（见图2）。其作业流程是：J1先闭合，开释C1上的电荷；然后J1翻开，由R1对C1进行充电；电压比较器U1将C1上的电压与参阅电压V2比较，当C1电压超越V2时输出高电平。计算从J1翻开到U1输出高电平之间的时刻，便能够确认V1的电压巨细。能够直观地看出，V1越高，这段时刻越短。
实践的电路如图3所示，留意这幅图只画出了第一个电池的丈量电路。其间，R1与C1便是积分运用的电阻与电容，Q1是常用的P-MOSFET，这儿用来完成J1给电容放电的功用，U5一起完成电压基准与电压比较器两层功用。X1是放电操控，来自FPGA，X2是开关量输出，去往FPGA。电压比较器选用的是美信公司的MAX921。
图3 实践取样电路图
这个电路在静态时仅仅耗费MAX921的4μA电流和C1、Q1、Q2的漏电流，根本能够忽略不计，十分省电。
这个电路别的一个特征是省掉了常常运用的光电耦合器，而运用电容C2替代。静态时，C2两头到达电压平衡，不耗费电能，此刻，X2电压为0。U5输出高电平常，由于C2两头电压不能瞬变，故X2电压被提高。D1与D2两个肖特基二极管是起限幅效果的。细心调整C2与R4的值就能够顺畅地传递开关量信息。
2 平衡充电
平衡充电是一切锂电池组所需求的充电办法，可是许多小功率的运用中实践是没有平衡充电的，如大多数的笔记本电脑电池组，这样做实践上对电池寿数的影响是相当大的。
现有的均衡技能首要分为电池间能量传递均衡和外部能量输入均衡。电池间能量均衡便是把高电量电池的能量给低电量电池充电。这种办法最大的问题便是操控起来很杂乱。
现在许多专用芯片或许单片机解决计划运用的是外部均衡的办法，这种办法是经过可操控的耗能来完成的。这种办法中一般都是运用一个耗能元件来耗费能量，然后等候其他电池单元充溢或许下降某些单元的电压。这种计划的缺点在于稳压二极管上的耗能太大，形成的发热量是不能忍耐的。
图4 实践充电办法图
实践运用的充电办法如图4所示，当然，这仅仅一个示意图，不包含电流检测电路（输入到变压器之间）和电压检测电路（变压器次级绕组）。其间，开关阵列是用功率MOSFET完成。
这种做法，管子都作业在开关状况，耗能很少，别的电池没有串联二极管，能够获得最大输出。不足之处仍是电路比较杂乱，由于要匹配每个电池的电压，所以要求输入充电电路是阻隔的。这儿选用T1变压器作为阻隔，由于开关频率能够做得很高，T1变压器的体积很小。
整个充电电路作业在开关状况，不再增加任何的操控模块，由FPGA直接操控场效应管，电流检测和电压检测电路的输出也转化为开关量直接传给FPGA。
充电分为四个过程：
a） 检测是否有电池单体低于2.5V，如有，运用5%的占空比对低于2.5V的电池轮番充电，使其升压到2.5V；
b） 翻开J1和J8，对全体进行大电流充电，一起丈量电池单体的电压，如果有电池单体到达4.2V，进入下个过程；
c） 逐步下降占空比，使单体电池的最高电压维持在4.2V，直到占空比《5%；
d） 对未到4.2V的电池进行轮番充电，当占空比均下降到5%时，充电完毕。
这儿需求阐明的是，a）和d）过程中轮番充电是经过开关矩阵完成的，并且轮番充电并不会延伸充电时刻，这是由于此刻的占空比远远小于25%，能够在一个充电周期内分别给四个电池充电。
3 过流和低压保护
为了确保电池组的肯定安全，电池组的过流和低压保护是独立设置的，当出现问题时可直接堵截电池组的输出，这种类型的电路也十分遍及，这儿不再赘述。
别的需求阐明的是，操控体系里边也含有非易失存储器和电池输出勘探电路，当勘探到保护电路动作的时分，当时的信息将保存到非易失存储器中，以供日后剖析。
总结
多节锂电池组成电池组是现在便携式较大功率设备的必然选择，怎么办理和保护这个电池组使其高效长寿数地作业也是摆在电子规划师面前的使命。
本文供给了一个新思路，即选用简略而准确的电路，将杂乱的模仿量转化为数字量，然后简化外部电路的规划，把杂乱的充电时序操控交给可编程逻辑来处理。这样做不只十分灵敏，精度高，并且还下降了本钱。
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