用于多节锂离子电池组应用双向便携式电源管理系统.pdf

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用于多节锂离子电池组应用的双向便携式电源管理系统 作者: Terry Cleveland 主任工程师 模拟与接口产品部 Microchip Technology Inc. 三节和四节串联锂离子电池组常用于具有高储能需求的便携式应用,因为使用多节串联电 池可以更有效地储存高电能。多节串联电池还具有优于单节电池组的效率优势,因为它们 可以降低同等功率应用的电流。与电阻近似的单节高电流电池相比,串联电池电压可以更 有效地为系统供电,这继而可以降低高电流配电的成本和体积。串联储能的典型应用包括 笔记本电脑、便携式打印设备、手持式打印机、便携式测试设备、便携式 DVD 播放器和便 携式医疗仪器,等等。 但是,使用多节串联电池组进行设计面临着一些相关的挑战,例如,更高的系统电压、电 路偏置电压产生、高效转换、低待机电流、多个供电路径(需要额外的保护开关),以及 从主机至电池组和从电池组至主机的数据传输(用于进行监视)。 本文将说明如何设计可用于多节锂离子电池组充放电的独特的双向电源管理系统。此外, 本文还会说明如何解决与这些系统关联的设计难题。 首先将介绍在进入和流出这两个方向上控制电池组能量流的单一双向反激式电源系统。在 一个方向上,转换器将通过执行 DC/DC 转换来调节电压。在另一个方向上,当施加输入 电源时,转换器将针对三节或四节锂离子电池组产生适当的充电算法,包括涓流充电、恒 流充电、恒压充电和充电终止等功能。 此外,因为在这些类型的应用中,系统在移除输入电源期间和之后继续工作非常重要,所 以本文将介绍如何设计在输入电源不存在时调节电池电压的不间断电源。设计将采用平面 变压器来最大程度降低单电源供电系统中反激变压器的泄漏电感。此外,本文还将论及这 种变压器设计的尺寸、成本和效率优点。 与设计任何电源系统一样,在这些类型的设计中,拓扑选择是最重要的考虑事项。选择拓 扑时,需要基于每种拓扑的优缺点进行权衡。在本文讨论的应用中,输入电压最高会达到 35V ,考虑到额定电压高于 40V 的逻辑电平同步驱动器的高昂价格,采用高端开关拓扑 (降压转换器)存在很大的难度。 四节串联锂离子电池组的电压范围为 10.8V 至 16.8V。在对电池充电时,便携式系统将使 用 32V 标称输入电源工作。移除 32V 标称输入电源时,系统必须切换为使用电池电源,并 且在大多数应用中(例如笔记本电脑、便携式打印机和医疗设备),绝对不能导致欠压和 系统复位。对于便携式电源应用,可以使用双向电源转换器来最大程度降低元件数和复杂 性,因为它们会利用相同的电源系统元件来对电池进行充放电。图 1 显示了用于双向电源 转换的两种竞争拓扑。 图 1: 升降压拓扑 Bi-Directional Buch/Boost 双向升降压 Boost 升压 Buck 降压 Buck Switch 降压开关 Boost Switch 升压开关 Buck-Boost Control 升降压控制 To Laptop Loads 至笔记本电脑 DC Bus Voltage 直流母线电压 PIC16F690 and MCP1630-Based Battery Charger 基于 PIC16F690 和 MCP1630 的电池充电器 4-Cell Li-Ion Battery Pack 4 节锂离子电池组 Battery-Protection Switches

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