【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(jì)的一些挑戰(zhàn)。通過(guò)在電池包中實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能，原始設(shè)備制造商(OEM)可以設(shè)計(jì)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(yàn)。在第2部分中，我們將詳細(xì)探討如何使用評(píng)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(píng)估1S2P架構(gòu)
評(píng)估簡(jiǎn)單充電系統(tǒng)并測(cè)試其功能，通常可以使用評(píng)估套件來(lái)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(gè)單元的復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)評(píng)估工作也更加繁瑣。復(fù)雜系統(tǒng)中可能有多個(gè)器件需要進(jìn)行表征。開(kāi)發(fā)人員將需要編寫一些軟件代碼來(lái)讀取系統(tǒng)不同部分生成的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，并采取行動(dòng)。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(cè)所述，MAX17330可用于同時(shí)對(duì)兩節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電和控制。該系統(tǒng)需要兩個(gè)MAX17330 IC，每個(gè)IC管理一節(jié)鋰離子電池，以及一個(gè)能夠即時(shí)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(gè)微控制器來(lái)配置和管理電池充電，以及處理兩個(gè)IC之間的通信。本文選擇的樹莓派板是系統(tǒng)測(cè)試中普遍使用的平臺(tái)，此外我們選用Python作為編程語(yǔ)言。樹莓派通過(guò)I2C管理通信，并記錄有助于評(píng)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(chǔ)在Excel文件中，方便進(jìn)行離線分析。
測(cè)試1S2P架構(gòu)
本節(jié)將介紹如何測(cè)試充電器和電量計(jì)(MAX17330)。本節(jié)還會(huì)說(shuō)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(guò)I2C進(jìn)行編程。
圖1顯示了1S2P系統(tǒng)架構(gòu)以及評(píng)估兩節(jié)并聯(lián)電池充電所需的連接。樹莓派控制三個(gè)EVKIT：一個(gè)MAX20743EVKIT（降壓轉(zhuǎn)換器）和兩個(gè)MAX17330EVKIT（充電器+電量計(jì)）。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(píng)估架構(gòu)
可從MAX17330產(chǎn)品頁(yè)面的“工具和仿真”選項(xiàng)卡中下載并使用基于GUI的MAX17330評(píng)估套件軟件。使用配置向?qū)В◤摹捌骷边x項(xiàng)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(lái)逐個(gè)配置MAX17330中的寄存器。
MAX17330EVKIT數(shù)據(jù)手冊(cè)詳細(xì)說(shuō)明了生成初始化文件所需的各個(gè)步驟。圖2所示的配置用于啟動(dòng)并聯(lián)充電。接下來(lái)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(shí)提高兩個(gè)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(guò)I2C控制；已編寫一個(gè)Python類來(lái)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(huì)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(shí)，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(qǐng)按PKWK按鈕。這將使臨時(shí)保護(hù)MOSFET短路，從而喚醒兩個(gè)MAX17330EVKIT。
接下來(lái)，樹莓派需要通過(guò)I2C與所有三個(gè)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(gè)MAX17330EVKIT使用相同I2C地址。第一步是更改兩個(gè)電量計(jì)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(shí)。這也導(dǎo)致產(chǎn)生一對(duì)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(jiàn)表3。
● I2CCmd寄存器支持動(dòng)態(tài)更改I2C總線。參見(jiàn)表4。
為了便于使用，我們采用第二種方法來(lái)改變地址，這樣可以使用同一INI文件來(lái)初始化兩個(gè)器件。生成兩個(gè)器件的通用設(shè)置可以簡(jiǎn)化器件配置，并消除有關(guān)手動(dòng)輸入地址的用戶錯(cuò)誤。
圖4.基于圖3來(lái)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(gè)MAX17330器件共用同一I2C總線，因此該程序要求將一個(gè)器件的ALRT信號(hào)設(shè)置為低電平，并將另一個(gè)設(shè)置為高電平。
表5.I2C ALRT設(shè)置
表4中的數(shù)據(jù)來(lái)自MAX17330數(shù)據(jù)手冊(cè)，顯示了I2CCmd寄存器如何根據(jù)ALERT GPIO引腳值動(dòng)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(gè)器件都分配有唯一的地址后，整個(gè)系統(tǒng)便可以由單個(gè)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(jiàn)表7。
接下來(lái)，我們需要啟用充電器的中斷：
● 設(shè)置（Config.Aen和Config.Caen）= 1
參見(jiàn)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(shí)器
● VMIN = min (VBATT_A, VBATT_B)
● Vsys_min = nVEmpty[15:7]
● CrossCharge = False
● If (VMIN<Vsys_min) ?CrossCharge = True
評(píng)估最小電池電壓是否超過(guò)系統(tǒng)的最小工作電壓
● If FProtStat.IsDis = 0
檢測(cè)到充電信號(hào)
● 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(gè)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(jiàn)表9、10和11。
當(dāng)MAX17330置位ALRT信號(hào)時(shí)，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(jiàn)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(qǐng)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(jì)(MAX17330)的Python代碼。其中還包含了用于捕獲重要充電參數(shù)和評(píng)估步進(jìn)充電曲線的Excel數(shù)據(jù)日志。通過(guò)管理MAX17330產(chǎn)生的警報(bào)信號(hào)，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(chǔ)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(jiǎn)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(shí)間是最重要的用戶體驗(yàn)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(shí)間。通過(guò)采用兩個(gè)MAX17330等的方式可支持以高電流并聯(lián)充電，讓開(kāi)發(fā)人員能夠以安全可靠的方式為多個(gè)電池充電，從而大幅節(jié)省充電時(shí)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(dòng)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(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。
作者：Franco Contadini，主管工程師
Alessandro Leonardi，現(xiàn)場(chǎng)銷售客戶經(jīng)理
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