【導(dǎo)讀】“電池快速充電指南——第1部分”介紹了有關(guān)快速充電電池系統(tǒng)設(shè)計的一些挑戰(zhàn)。通過在電池包中實(shí)現(xiàn)電量計功能,原始設(shè)備制造商(OEM)可以設(shè)計智能快速充電器,從而提高系統(tǒng)靈活性,更大限度地降低功耗,確保安全充電/放電,并改善整體用戶體驗。在第2部分中,我們將詳細(xì)探討如何使用評估套件和樹莓派板實(shí)現(xiàn)電池并聯(lián)的快速充電系統(tǒng)。
評估1S2P架構(gòu)
評估簡單充電系統(tǒng)并測試其功能,通常可以使用評估套件來完成。這些套件包括配置充電系統(tǒng)所需的所有硬件和軟件應(yīng)用,以及基于圖形用戶界面(GUI)的工具和API。
但相應(yīng)地,包含多個單元的復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)評估工作也更加繁瑣。復(fù)雜系統(tǒng)中可能有多個器件需要進(jìn)行表征。開發(fā)人員將需要編寫一些軟件代碼來讀取系統(tǒng)不同部分生成的信號,對其進(jìn)行分析,并采取行動。MAX17330可幫助管理包含兩節(jié)鋰離子電池的并聯(lián)電池快速充電系統(tǒng)。如數(shù)據(jù)手冊所述,MAX17330可用于同時對兩節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電和控制。該系統(tǒng)需要兩個MAX17330 IC,每個IC管理一節(jié)鋰離子電池,以及一個能夠即時調(diào)整輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器(如MAX20743)。
該系統(tǒng)還需要使用一個微控制器來配置和管理電池充電,以及處理兩個IC之間的通信。本文選擇的樹莓派板是系統(tǒng)測試中普遍使用的平臺,此外我們選用Python作為編程語言。樹莓派通過I2C管理通信,并記錄有助于評估和調(diào)試的重要系統(tǒng)參數(shù),包括充電電流、電池電壓和電池荷電狀態(tài)(SOC)。這些數(shù)值均存儲在Excel文件中,方便進(jìn)行離線分析。
測試1S2P架構(gòu)
本節(jié)將介紹如何測試充電器和電量計(MAX17330)。本節(jié)還會說明并聯(lián)充電可達(dá)到的實(shí)際性能。為了獲得更大的靈活性和可控性,該器件由微控制器通過I2C進(jìn)行編程。
圖1顯示了1S2P系統(tǒng)架構(gòu)以及評估兩節(jié)并聯(lián)電池充電所需的連接。樹莓派控制三個EVKIT:一個MAX20743EVKIT(降壓轉(zhuǎn)換器)和兩個MAX17330EVKIT(充電器+電量計)。數(shù)據(jù)記錄在Excel文件中。
圖1.使用樹莓派的1S2P充電系統(tǒng)評估架構(gòu)
可從MAX17330產(chǎn)品頁面的“工具和仿真”選項卡中下載并使用基于GUI的MAX17330評估套件軟件。使用配置向?qū)В◤摹捌骷边x項卡中選擇)可為MAX17330生成初始化文件(.INI)。INI文件中包含寄存器地址/寄存器值格式的器件寄存器初始化信息。微控制器需使用該文件來逐個配置MAX17330中的寄存器。
MAX17330EVKIT數(shù)據(jù)手冊詳細(xì)說明了生成初始化文件所需的各個步驟。圖2所示的配置用于啟動并聯(lián)充電。接下來可按圖3中的配置啟用步進(jìn)充電。圖4顯示了基于圖3配置步進(jìn)充電后的預(yù)期步進(jìn)充電曲線。
圖2.配置MAX17330進(jìn)行并聯(lián)充電
圖3.啟用步進(jìn)充電
MAX20734降壓轉(zhuǎn)換器可在需要時提高兩個MAX17330EVKIT上的電壓。MAX20734降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)地址0x21處的內(nèi)部寄存器值改變輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器可以通過I2C控制;已編寫一個Python類來執(zhí)行此操作。
最后,如圖5所示,MAX20743EVKIT輸出分壓器被修改,輸出范圍為3 V至4.6 V(使用的值為R6 = 4K7和R9 = 1K3)。
表1.MAX20743基于寄存器0x21的轉(zhuǎn)換輸出電壓
從表1可以得出如下曲線:
其中,x為要在輸出端施加的電壓。雖然這種方法會有輕微誤差,但也是根據(jù)電壓估算所需寄存器值的好方法。
上電與初始化
當(dāng)MAX17330首次連接電池時,默認(rèn)寄存器值設(shè)置強(qiáng)制IC進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。要喚醒器件,請按PKWK按鈕。這將使臨時保護(hù)MOSFET短路,從而喚醒兩個MAX17330EVKIT。
接下來,樹莓派需要通過I2C與所有三個器件通信。小心地初始化I2C硬件,避免器件地址沖突。默認(rèn)情況下,兩個MAX17330EVKIT使用相同I2C地址。第一步是更改兩個電量計之一的地址。
MAX17330兼有易失性和非易失性寄存器,非易失性寄存器以“n”前綴標(biāo)識。這也導(dǎo)致產(chǎn)生一對節(jié)點(diǎn)地址:6Ch(易失性寄存器)和16h(NV寄存器)。
改變MAX17330器件節(jié)點(diǎn)地址的方法有兩種:
● 使用I2CSid字段設(shè)置nPackCfg NV寄存器。此更改可以利用配置向?qū)гO(shè)置。參見表3。
● I2CCmd寄存器支持動態(tài)更改I2C總線。參見表4。
為了便于使用,我們采用第二種方法來改變地址,這樣可以使用同一INI文件來初始化兩個器件。生成兩個器件的通用設(shè)置可以簡化器件配置,并消除有關(guān)手動輸入地址的用戶錯誤。
圖4.基于圖3來配置步進(jìn)充電的預(yù)期步進(jìn)充電曲線
圖5.輸出分壓器已被修改,輸出范圍為3 V至4.6 V(R6 = 4 K7且R9 = 1 K3)。
表2.MAX17330寄存器
表3. nPackCfg (1B5h)寄存器格式
表4.I2CCmd (12Bh)寄存器格式
由于兩個MAX17330器件共用同一I2C總線,因此該程序要求將一個器件的ALRT信號設(shè)置為低電平,并將另一個設(shè)置為高電平。
表5.I2C ALRT設(shè)置
表4中的數(shù)據(jù)來自MAX17330數(shù)據(jù)手冊,顯示了I2CCmd寄存器如何根據(jù)ALERT GPIO引腳值動態(tài)更改器件地址。在這種情況下,可使用GoToSID和INcSID字段更改I2C地址:
● Set ALRT_A logic low
● Set ALRT_B logic high
● Write I2CCmd = 0 × 0001 ?MAX17330_A address remains at 6Ch/16h
?MAX17330_B address set to ECh/96h
每個器件都分配有唯一的地址后,整個系統(tǒng)便可以由單個微控制器控制。
下面是微控制器完成I2C配置的腳本。這將是系統(tǒng)初始化的一部分。
● Load .INI file
● Assert ALRT_A and ALRT_B to keep the path between SYSP and BATTP open
● Read VBATT_A and VBATT_B
● VMAX = max (VBATT_A, VBATT_B)
● Set VOUT = VMAX + 50 mV
● Release ALRT_A and ALRT_B
● Set nProtCfg.OvrdEn = 0 to use ALRT as Output
非易失性空間中的某些寄存器需要重啟固件才能使更改生效。因此,需要執(zhí)行以下步驟:
● 置位Config2.POR_CMD以重啟固件
參見表7。
接下來,我們需要啟用充電器的中斷:
● 設(shè)置(Config.Aen和Config.Caen)= 1
參見表8。
現(xiàn)在器件已初始化。
表6. nProtCfg (1D7h)寄存器格式
表7.Config2 (OABh)寄存器格式
表8.Config (O0Bh)寄存器格式
記錄數(shù)據(jù)和中斷
我們需要能夠讀取寄存器以記錄數(shù)據(jù),并檢查ALERT GPIO線上是否已生成中斷。我們可以使用如下腳本:
● 設(shè)置500 ms定時器
● VMIN = min (VBATT_A, VBATT_B)
● Vsys_min = nVEmpty[15:7]
● CrossCharge = False
● If (VMIN<Vsys_min) ?CrossCharge = True
評估最小電池電壓是否超過系統(tǒng)的最小工作電壓
● If FProtStat.IsDis = 0
檢測到充電信號
● Clear Status.AllowChgB
向所有電池表明充電器存在
● If (VBATT > VMIN + 400 mV and !Cross Charge)
確定要阻止哪個電池以避免交叉充電
Config2.BlockDis = 1
else
Config2.BlockDis = 0
如果低電量電池遠(yuǎn)低于高電量電池,則允許放電
參見表9、10和11。
當(dāng)MAX17330置位ALRT信號時,主機(jī)將執(zhí)行以下操作:
Read Status register data
If Status.CA is set
Read ChgStat register
If ChgStat.Dropout = 1 ?increase VOUT
If (ChgStat.CP or ChgStat.CT) = 1 ?decrease VOUT
Clear Status.CA
參見表12和13。
圖6顯示了從Excel文件的記錄數(shù)據(jù)提取的并聯(lián)充電曲線。請注意該曲線隨步進(jìn)充電曲線的變化情況。
FProtStat寄存器
表9.FProtStat (0DAh)寄存器格式
表10.Status (000h)寄存器格式
表11.Config2 (0ABh)寄存器格式
表12.狀態(tài)寄存器(000h)格式
表13.ChgStat (0A3h)寄存器格式
圖6.并聯(lián)充電曲線
另外,一旦器件從恒流(CC)階段轉(zhuǎn)為恒壓(CV)階段,降壓轉(zhuǎn)換器生成的電壓可以降低如下:
● If VBATT = ChargingVoltage
Read ChgStat Register
If ChgStat.CV = 1 ?ecrease VOUT until VPCK = ChargingVoltage + 25 mV
以上就是管理1S2P充電配置所需的所有步驟。MAX17330-usercode.zip中包含了配置降壓轉(zhuǎn)換器(MAX20743)以及充電器和電量計(MAX17330)的Python代碼。其中還包含了用于捕獲重要充電參數(shù)和評估步進(jìn)充電曲線的Excel數(shù)據(jù)日志。通過管理MAX17330產(chǎn)生的警報信號,微控制器可保持MAX17330的線性充電器接近壓差,從而更大限度地降低功耗并支持高充電電流。使用MAX17330的電池包可存儲已安裝電池的參數(shù),以便主機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)高效快速充電。這使得OEM可以用更簡單、更便宜的降壓轉(zhuǎn)換器取代標(biāo)準(zhǔn)充電器IC器件,而不影響性能或可靠性。
結(jié)論
設(shè)備充電時間是最重要的用戶體驗考量因素之一。MAX17330降壓轉(zhuǎn)換器采用小型IC封裝,可以有效管理非常高的電流,從而縮短充電時間。通過采用兩個MAX17330等的方式可支持以高電流并聯(lián)充電,讓開發(fā)人員能夠以安全可靠的方式為多個電池充電,從而大幅節(jié)省充電時間。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息,請訪問www.analog.com/cn。
作者:Franco Contadini,主管工程師
Alessandro Leonardi,現(xiàn)場銷售客戶經(jīng)理
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀: