基于德州仪器BQ40z80的电量计电路设计参考方案

2019年10月28日 作者:Teardown

1.介绍

BQ40z80是完全集成的2-7节锂离子或锂聚合物电池管理芯片,采用已获专利的Impedance Track?技术,具备电流、电压和温度等全面的可编程保护功能。其硬件电路设计主要分为三个部分:主电流回路模块、电量计模块和保护模块。

2.主电流回路
主电流回路即指在电量计的控制下对电池进行充电、放电的电流回路。当充电时,该回路的电流从PACK+开始,经过用于控制充电和放电的开关FETs、化学保险丝、电池和电流采样电阻,最终回到PACK-。

2.1充、放电FETs
充、放电的两个N-CH FETs以漏极对接的方式串联在PACK+和电池组的正极,如图2-1所示,Q2、Q3分别是充、放电FET。当进行充电或放电时,Q2和Q3同时导通;当充电停止时,Q2关断;当放电停止时,Q3关断。

 

图2-1 充、放、预充、预放电MOSFET电路图

在进行FETs选型时应注意以下两点:(1)FET的额定电压值必须大于电池的最大电压;(2)考虑到放电时负载端产生反电动势的情况,放电FET的额定电压值应比充电FET稍大。

其驱动信号CHG和DSG上的栅极驱动电阻典型值分别为1kΩ和4.02kΩ,该阻值不同是由引脚内部结构决定的,使FETs的开通时间在几毫秒左右;FETs栅源间电阻典型值为10MΩ,?以确保栅极开路时FETs关断,避免误导通现象。

跨接在FTEs两端的电容C1、C2起到在ESD事件中保护FETs的作用,其两端路径应本着尽可能短和宽的设计原则,同时还应注意C1和C2的额定电压都应比系统相应最大电压更大,从而达到在某一个短路时另一个仍能起到保护作用的效果。

2.2预充、预放电FETs

预充电功能指当电池因过度放电、放置过久的自放电等原因导致两端电压过低时,若直接进入正常充电模式易损坏电池或影响电池使用寿命,此时需使用预充电功能,以小电流将电池充电至正常电压范围内后再转换为正常充电模式。它通过对P-FET的控制实现,预充电流的大小通过限流电阻R2=(VCHARGER-VBAT)/R2设定,同时兼顾对电阻上的热量消耗P=(VCHARGER-VBAT)2/R2的考虑。

预放电功能是指当电池应用于较大的电容负载时,启动瞬间易产生瞬间冲击电流,需先以软起的形式进行缓慢充电,从而减小瞬间大电流。如图1-1所示,来自Pins 16、17或20的驱动信号提供一个高电平使N-CH FET Q10导通,从而将预充电P-CH FET Q8的栅极接入地,使Q8导通,预充电回路打开,其预放电速率由限流电路设定。

2.3 防反接保护

充电器反接会对系统造成极大伤害,因此需为此设计相应的保护电路,如图2-2所示。

图2-2?反接保护电路

若无此保护,当PACK+上出现一个略小的负信号,放电FET将进入线性工作区,影响电路正常工作。但加入防反接电路后,PACK+上的负信号会使栅极接地的N-FET Q9导通,使放电FET的栅源极短路,从而起到保护作用。在选型时应选择具有较低Vgs(th)的N-FET,已达到可靠及时的保护效果。

2.4电芯输入

BQ40z80可以实现2-7节锂电池的管理和保护。对于2-6节的电池,芯片内部包含已集成的电压均衡模块,只需正常进行连接,未使用的Pins短接处理,例如图2-3所示在5节串联电池的应用中需将VC6与VC5短接。同时,每节电芯的输入应设计一个RC滤波电路,在起到ESD保护作用的同时,也可实现对输入电压信号实现初步滤波。考虑到该电阻处在电压均衡回路上,阻值选取应在内部电压均衡和滤波频率间进行均衡。

 

图2-3 5节电芯输入连接方式

对于7节电芯的电池则需进行额外的设置将电压均衡设置在外部,其连接方式如图2-4所示,其中,Pin VC7EN使能对7P的电压测量。

 

图2-4 7节电芯连接方式及其外部电压均衡模块

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