3.2电源管理
BQ40z80的供电系统包括三部分:来自电池的BAT、来自充电器的VCC和内部进行瞬间供电的PBI,据工作状态的不同对电源供应进行管理,如图3-3所示。
图3-3 BQ40z80供电管理系统
通常,由电池对设备进行初级供电,从正极经过一个输入端肖特基二极管引入至Pin BAT,输入范围为2.2-32V,该二极管可在因短路引起的暂态电压跌落的情况下将设备与电池迅速隔离开,由所用电池的最大电压决定,例如24V的电池选择40V的二肖特基极管。Pin VCC作为设备的第二级电源输入,连接在CHG和DSG的FETs共漏极,当电池处于电量较低的状态,若PACK上有充电器,设备检测到BAT的电压低于VCC时,将使用充电器的能量作为电源供应。最后,第三级电源供应来自Pin PBI,作为暂态失电的瞬间的能量后备,该引脚通过一个2.2μF的电容接入地,其瞬间的能量来源即该电容上储存的能量。
3.3系统检测
系统检测指BQ40z80通过Pin PRES*去检测PACK是否有充电器或负载的接入,该引脚通常接入地。设备内部通过一个典型值为10-20μA的电流源在该引脚每秒提供一个4μs的脉冲,为使该测试脉冲值低于VIL限制,应串联20kΩ或小于20kΩ的电阻,如图3-4所示。
图3-4 系统检测电路
同时,由于系统检测信号连接至PACK,为在外部静电放电时保护设备,BQ40z80的Pin PRES*内部已有集成ESD保护,仅需将一个1kΩ的电阻接入即可实现8 kV的ESD保护。
3.4 内部电压均衡
BQ40z80含有内部集成的电压均衡模块,可同时对每一节电芯实现最大10mA的均衡电流以达到电压均衡。
如图3-5所示,以两节电芯为例,当BQ40z80通过输入端的电压采样判断出某一节或多节电芯的电压异常时,将驱动内部旁路FETs,使其开通,在单节电芯的两端构成一个回路,所形成的旁路电流通过回路上的电阻将电芯两端异常的电压以热的形式消耗掉。因此,回路上的总电阻决定旁路电流的大小,即电压均衡的强度。
图3-5 内部集成电压均衡模块
电阻由两部分构成,第一是旁路FETs的导通电阻Rds(on)=200Ω,第二是电芯电压输入端的RC滤波电路。所以,每一节电芯的总旁路电阻为2×100+200 = 400Ω,若按一节电芯电压典型值为4V考虑,旁路电流约为10mA。需注意的是,电压均衡的实现过程并不是旁路FETs全导通直至均衡完成的过程,而是在每小时内以一定的占空比开启旁路FETs,对BQ40z80而言其典型值为75%,该值可通过软件进行修改。此时,对一节容量为2000mAh、SOC异常10%的电池,以占空比D去均衡则所需的时间t =2000mAh×10%/(10mA×D)。
3.5 外部电压均衡模块
BQ40Z80含有内部集成的电压均衡模块,能同时对每一节电芯实现最大10mA的均衡电流以达到电压均衡。若需要更快速度的电压均衡能力,则需进行外部电压均衡模块的设计,如图3-6所示。
外部N-MOSFETs采用具备低栅源驱动阈值电压Vgs(th)的。考虑到FETs的导通稳定性,此处将输入RC滤波电路中原100Ω的电阻改变为1kΩ。工作原理如下:当BQ40z80控制内部旁路FETs导通,形成内部旁路回路,其上两个1kΩ的电阻和FETs的导通电阻Rds(on)=200Ω构成一个分压比为0.454的电阻分压器。考虑一节电芯的典型电压范围为3-4.2V,当进行单节电芯的电压均衡将会经过分压在电阻上产生一个1.362-1.907V的电压信号,该信号即外部FETs的栅源驱动电压,因此N-MOSFETs导通,外部的旁路回路打开,旁路电流大小将由外部回路上的电阻决定,用户可根据需求设置。
图3-6 外部电压均衡模块
应注意的是外部旁路MOSFET选择原则是在考虑电路分压比的情况下使其具备尽量低的Vgs(th),以实现成功可靠的驱动,例如DMN2004DWK、NTZD3154N和Si1024X等。更多细节可参考应用技用文档,Fast Cell Balancing Using
External MOSFET (SLUA420)。
3.6 温度
BQ40z80提供四个多达4个温度输入信号TS1、TS2、TS3和TS4,可同时用于电池、FETs等的温度检测,可通过软件配置其检测的对象类型和模式。 Pins TS1、TS2、TS3和TS4内部都集成了典型值18kΩ的上拉电阻,可支持25℃下10kΩ的NTC热敏电阻(暂不支持PTC),应注意用于电池的温度检测则常采用引线式热敏电阻,便于贴合电池表面,对电池温度达到更好的监控效果。
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