雖然更高的電池容量延長了設(shè)備的使用時間，但如何縮短充電時間，這給設(shè)計人員帶來了額外的挑戰(zhàn)?？焖俪潆娺m用于廣泛的設(shè)備，包括消費電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。本文分為兩部分，概要介紹與實現(xiàn)電池快速充電功能相關(guān)的挑戰(zhàn)。

第1部分探討在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性、盡可能降低功耗，并提升用戶的總體體驗。此外，還介紹設(shè)備包含的監(jiān)測功能，確保實現(xiàn)安全充電和放電。

第2部分詳細(xì)探討如何使用評估套件和樹莓派板實現(xiàn)電池并聯(lián)的快速充電系統(tǒng)。

第一部分

在如今這個移動設(shè)備當(dāng)?shù)赖臅r代，電池壽命是影響用戶體驗的主要因素之一。在設(shè)備內(nèi)部集成省電技術(shù)非常重要，但這只是解決方案的一部分。隨著移動設(shè)備的功能不斷增多，其對電力的要求也不斷提高，原始設(shè)備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量，以此延長電池的使用壽命。

例如，1S2P（1個電池串聯(lián)，2個電池并聯(lián)）這類架構(gòu)開始風(fēng)行，通過使用兩個并聯(lián)電池來提高總電池容量。提高電池容量帶來的問題就是充電時間隨之延長。為了盡可能縮短充電時間，電池技術(shù)不斷改善，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說，xC是1小時內(nèi)通過電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下，會消耗最高12 A充電電流。

對于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電。將電池并聯(lián)使用時，開發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類型的設(shè)備中提供電池快速充電功能時遇到的挑戰(zhàn)，包括消費電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。

我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性，盡可能降低功耗，并改善整體用戶體驗。

充電器基礎(chǔ)知識，以及為何電量計位置分區(qū)非常重要

電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報告電池指標(biāo)的電量計，例如電池的充電狀態(tài)(SOC)、剩余電量使用時間和電池充滿所需時間。電量計可以集成在主機端，或者集成在電池包中（參見圖1-1）。

圖1-1. 電池電量計可以集成在主機端，或集成在電池包中。

集成在電池包中時，電量計需要使用非易失性存儲器來存儲電池信息。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測充電/放電電流，保護電池免于遭受危險狀況。MAX17330?是ADI公司提供的電池電量計，內(nèi)置保護電路和電池充電器功能（參見圖1-2）。

圖1-2. 包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計框圖。

充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)線性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時，該器件可以獨立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限制。

在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見圖1-3）。同時還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗（參見圖1-4）。

圖1-3. 高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖。

圖1-4. 使用降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效實現(xiàn)10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器，VIN = 12 V。

在電池包中集成電量計會使電池變得智能，能夠用于先進充電場景，實現(xiàn)先進充電功能。例如，電量計可在其非易失性存儲器中存儲適合電池包中電池的充電曲線參數(shù)。因此無需通過主機微控制器單元(MCU)充電?，F(xiàn)在，主機MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號，根據(jù)收到的警報類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

CP:?熱限制 → 降低電壓。

CT:?MOSFET溫度限制 → 降低電壓。

Dropout:?→增大電壓。

CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護MOSFET的電流影響散熱性能時，該標(biāo)志置位。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過高時置位。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進行配置。

可編程降壓轉(zhuǎn)換器（例如 MAX20743 ）使用PMBus來精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個I2C總線來管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計。

以下示例展示一種為單個3.6 V鋰電池充電的方式。圖1-5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時域形狀。具體來說，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

圖1-5. 單個電池快速給3.6 V鋰電池充電。

可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出(VPCK)設(shè)置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會持續(xù)增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。

電池安全管理

由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測多個重要參數(shù)。例如，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長電池的使用壽命。

可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求（參見圖1-6），且基于電池電壓進行三區(qū)步進充電。

圖1-6. 6區(qū)JEITA溫度范圍。

使用步進充電曲線，根據(jù)電池電壓改變充電電流，可以進一步延長電池的使用壽命。圖7顯示使用3個充電電壓和3個相應(yīng)的充電電流的步進充電曲線?？梢酝ㄟ^狀態(tài)機來管理各級之間的轉(zhuǎn)換（參見圖1-7）。

圖1-7. 步進充電曲線，使用狀態(tài)機來管理各級之間的轉(zhuǎn)換。

注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見表1-1和表1-2）。

表1-1. 充電電流，支持步進充電和JEITA

表1-2. 充電電壓，支持步進充電和JEITA

并聯(lián)充電

多電池并聯(lián)充電需要額外管理。例如，當(dāng)兩個電池的電壓相差超過400 mV時，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電。只有當(dāng)最低電池電量太低，無法支持系統(tǒng)負(fù)載時，才容許在有限的時間里進行交叉充電（參見表1-3和圖1-8）。

表1-3. FET邏輯管理

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圖1-8. 為了防止交叉充電，當(dāng)電池ΔV >400 mV，會阻止電壓更高的電池放電。

將充電和電量計功能從主機端移動到電池包一端，可以單獨控制1S2P配置中的每個電池。因此不需要由主機MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來管理其輸出。由于主機端的管理只是管理電量計生成的ALRT信號，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包。

必要時，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現(xiàn)交叉充電。這種方法無需考慮電池不匹配問題，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡化設(shè)計和整個充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全，并改善用戶體驗。

第二部分

通過在電池包中實現(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。在本部分中，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?？梢允褂迷u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)充電可達到的實際性能。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進行編程。

圖2-1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 MAX20743EVKIT （充電器+電量計）。數(shù)據(jù)記錄在Excel文件中。

圖2-1. 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◤?器件"選項卡中選擇）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。

MAX17330X2EVKIT 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2-2所示的配置用于啟動并聯(lián)充電。接下來可按圖2-3中的配置啟用步進充電。圖2-4顯示了基于圖2-3配置步進充電后的預(yù)期步進充電曲線。

圖2-2. 配置MAX17330進行并聯(lián)充電

圖2-3. 啟用步進充電

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圖2-4. 基于圖3來配置步進充電的預(yù)期步進充電曲線

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2-5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）。

圖2-5. 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2-1. MAX20743基于寄存器0x21的轉(zhuǎn)換輸出電壓

從表2-1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)置強制IC進入關(guān)斷狀態(tài)。要喚醒器件，請按PKWK按鈕。這將使臨時保護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)點地址：6Ch（易失性寄存器）和16h（NV寄存器）。

改變MAX17330器件節(jié)點地址的方法有兩種：

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2-2~2-4。

表2-2. MAX17330寄存器

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表2-3. nPackCfg (1B5h)寄存器格式

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表2-4. I2CCmd (12Bh)寄存器格式

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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。

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2-5. I2C ALRT設(shè)置

表2-4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

參見表2-6。

表2-6. nProtCfg (1D7h)寄存器格式

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2-7。

表2-7. Config2 (OABh)寄存器格式

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2-8。

表2-8. Config (O0Bh)寄存器格式

現(xiàn)在器件已初始化。

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

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

如果低電量電池遠低于高電量電池，則允許放電

參見表2-9~2-11。

表2-9. FProtStat (0DAh)寄存器格式

表2-10. Status (000h)寄存器格式

表2-11. Config2 (0ABh)寄存器格式

當(dāng)MAX17330置位ALRT信號時，主機將執(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2-12~2-13。

表2-12. 狀態(tài)寄存器(000h)格式

表2-13. ChgStat (0A3h)寄存器格式

圖2-6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充電曲線的變化情況。

圖2-6. 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 → decrease 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)，以便主機微控制器實現(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。

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。

編輯：黃飛

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