電池在工業儀器設備中扮演著舉足輕重的角色,高效、穩定、智能的充電方案是設備可靠運行的保障。由駿龍科技最新推出的 SmartPath 系列充電模塊,支持最高 8 串鋰聚合物電池,充電電流可達到 3A 以上,適合常規的便攜式工業儀器設備。
模塊能夠自動切換后端負載的供電路徑,并實時監測輸出電路各節點工作數據,是用戶產品邁向高端化、智能化的基石。此外,模塊還可以定制為鉛酸式、磷酸鐵鋰等更多種類電池充電,或支持太陽能板直接輸入,并且能拓展更豐富的配置功能與輸出參數。
工業儀器中的電池充電需求
如今的工業儀器和設備常常內置大容量的鋰電池組,使其變成了便攜式設備,能夠靈活地改變工作運行的地點。在諸多使用場景中,工業儀器設備一般是依靠外部插電運行的,當外部輸入電源意外中斷時,內置電池可以立即替補成電能來源,讓其主機無中斷繼續運行,大大提高了運轉可靠性。
目前,工業儀器設備中常用的直流輸入電壓為 12V - 28V,也有少部分使用 5V、9V 的電壓。這主要是因為這些設備一般包含傳感器、電機、高速處理器、高清屏幕等功耗較大的部件,提高母線供電電壓可以使線路工作電流變小,從而減小發熱損耗、降低電路板設計難度。
工業儀器設備中所用的內置鋰電池電壓略低于其直流輸入電壓,從而保證電池能夠被外部直流供電充電,且在系統切換至電池供電時,電路的輸入電壓與切換之前相近。相對于單節鋰電池而言,工業設備的內置電池是多節串聯的高壓電池,工程師需要設計專門的高效充電電路,以保障設備實現安全快速的充電過程。
此外,還要配套設計負載供電路徑切換、電池放電管理等功能電路,甚至一些要求高的設備還需要監測電池充放電的狀態。駿龍科技推出的電池充放電模塊,可以最多支持到8節串聯的鋰離子電池,充電電流高達 3A 以上,且配備板載監測單元,可實時輸出顯示各處的工作參數。下面將就此模塊的工作原理和參數性能展開講解。
MCUM4162 模塊技術架構
如下圖 (圖1) 所示,它為本次發布的充放電模塊的技術架構和工作原理,該模塊型號命名為 MCUM4162,它是圍繞 ADI 的高性能電池充放電管理芯片 LTC4162 設計而成的。其中,紅色線段即電池能量的充放電路徑。我們可以看到,路徑上包含了多處理想二極管和電壓電流采樣節點,這使得模塊能夠實現自動切換末端負載的供電來源,并防止電流倒灌,保護前級部件。
當 DC 輸入正常時,它將給電池充電提供能量,同時為后端負載供電;當 DC 輸入停止時,電池瞬間切換為放電路徑,給后端負載繼續供電。當配合一定的輸出電容作為緩沖時,這個電能輸出路徑的切換過程約 30uS,幾乎不會被負載感應到,保障后端負載的真正持續供電。
此外,模塊上板載的 MCU,將持續與 LTC4162 芯片保持 SMBus 總線通信,實時讀取解析芯片內部寄存器的值,并通過 UART 方式以 0.5s 的更新間隔頻率輸出模塊上各關鍵節點的參數、告警信息,以及芯片工作狀態等,具體內容將在后文中詳細說明。
根據 LTC4162 芯片的具體版本,此模塊可以用于鉛酸電池、磷酸鐵鋰等其他類型電池的充放電,還可以支持太陽能板直接接入模塊的使用方式。若用戶需要其他功能版本的模塊,可以聯系駿龍科技的技術人員。模塊上的理想二極管、實時監測控制電路、外掛 NTC 溫度監測等設計均能是為了保障電源輸入端、電池本身,以及負載端的安全運行。綜合以上也行,本產品歸屬于SmartPath 系列產品。
圖1 MCUM4162的模塊技術架構圖
如下圖 (圖2) 所示,它為模塊上的核心功能芯片 LTC4162 的芯片結構圖。由于需要兼容不同電壓、不同種類的電池,該芯片內部有多處 DAC 電路,用于產生各處模擬監測與控制電路的基準電壓。板上的理想二極管是基于 NMOS 管形式實現的,LTC4162 內置了理想二極管控制器功能。
芯片還有多路采樣通道,送入內置 ADC,用于監測多處外圍電路的電壓和電流,以及溫度數據等。這可以在局部出現過壓、欠壓、過流、過熱等情況時,及時關斷相應功能區,并產生告警信息。
更重要的是,作為電池充電管理芯片,LTC4162 內置了各種類電池的充電控制邏輯,例如預充、恒流、恒壓等狀態的全流程管理,整個過程還支持改變控制的門限參數等。這套全面而復雜的數字化管理系統的對外窗口是龐大的寄存器陣列,讀寫過程是基于 SMBus 協議實現的。
LTC4162 的集成度高,它將開關電源控制電路和開關管都集成在僅 4mm x 5mm 的封裝中,外部連接電感即可實現開關式降壓充電。雖然其工作電壓和電流都不小,但其工作效率很高,實測中芯片的工作溫度始終在相對低位運行。
LTC4162 的部分版本還支持 MPPT 自動控制算法,當使用太陽能板作為直流輸入源時,MPPT 功能可以將太陽能板的工作效率利用至最大化。
圖2 LTC4162芯片的結構框圖
對外接口和使用方法
如下圖 (圖3) 所示,它為 MCUM4162 模塊的產品實物圖,其采用 5mm x 3.2mm 的小面積插針孔式封裝,非常便于用戶集成到自行設計的電路板上。該模塊技術指標如下:
- 直流輸入電壓范圍 4.5V - 35V
- 支持電池范圍 2.7V - 35V (對應鋰聚合物電池 1 - 8串)
- 最大充電電流 / 工作電流 3.2A
- 充電效率 95% 左右
- 自動切換負載供電來源(直流或電池)
- 實時報告:當前運行階段、輸入電壓電流、電池電壓電流、負載端電壓、芯片溫度值、電池等效直流電阻 (可評估電池健康)
- 告警功能:電池短路、電池斷開、NTC過熱、芯片過熱、充電超時、輸入限流、電池限流
圖3 MCUM4162模塊產品實物圖
為方便用戶更科學地布置自己的電路板,駿龍科技的技術人員將模塊對外接口設計為左右分區式。如下圖 (圖4) 所示,它為 MCUM4162 的對外接口和使用方法示意圖,左側是所有電氣能源端的接口,包括輸入電源、電池接入、NTC 接入;右側是負載端的接口,包括負載接入、串口通信、MCU 復位端。
用戶在使用模塊時,直接連接對應電氣單元即可開始工作,通過 MCU 或串口終端還能夠讀取豐富監測數據。若采用太陽能板作為直流輸入源,只需在輸入端增加一個容量較大的電容即可。
只接入DC輸入、電池正負極 (NTC可不接)、輸出負載三個電氣組件,模塊就可以正常工作。若將輸出負載端懸空,模塊也能單獨實現電池的充電功能。對于模塊接入的電池串數,需要通過板上的模式選擇區域,將電阻焊接到對應位置,進行硬件預配置,在模塊上電時即可自動識別。
目前模塊上的板載控制處理器需要外部引入 3.3V 電源供電,才能夠通過串口輸出數據,也有升級版本產品板載了 3.3V 自供電功能。
圖4 MCUM4162對外接口和應用示意圖
運行參數數據輸出功能
MCUM4162 模塊板搭載了 MCU,通過 SMBus 總線讀取核心功能芯片 LTC4162 的寄存器內容,并轉換為對應真實數值參數或運行狀態、告警信息,以 UART TTL 的方式輸出。模塊的默認串口波特率為 115200,可支持定制修改。
如下圖 (圖5) 所示,它為該模塊在串口中斷軟件上發送來的實際數據,其更新間隔為 0.5s。默認情況下,輸出內容將以這種易于人眼識別讀取的方式顯示,可免于配套專門的上位機軟件。如果需要以數據包形式進行輸出,從而便于接收端抓取識別數據,也可以聯系駿龍科技免費定制協議。
- 首先是電路各關鍵位置的電參數信息,包括輸入端的電壓、電流,輸出端的電壓值,電池端的電壓、電流,其中電池電流會顯示為正負形式,正電流值表示電池正在充電,負電流值表示電池正在放電。通過以上指標可以直觀判斷系統各部件是否存在異常。
- 其次是核心充電芯片的運行溫度,電池的等效直流電阻值。芯片溫度主要是其內部的結溫,它的顯示值一般比芯片表面溫度更高,能真實反映芯片當前承受的溫度,確認其是否處于安全溫度范圍內。電池的等效直流電阻值可以用于判斷電池健康程度,其阻值會隨著電池的老化而增大,由于不同電池的等效電阻是有差異的,因此實際使用中需要依據這個阻值的變化趨勢,來判斷電池健康損耗情況。
圖5 模塊默認輸出的串口數據
最后是模塊當前的運行狀態,以及告警內容或關鍵信息。這部分可顯示的內容比較豐富,具體分類信息如下表 (表1) 所示:
表1 模塊默認可輸出信息內容
以上只是 MCUM4162 默認版本的數據輸出內容。實際上,該模塊還可以拓展更豐富的輸出內容,另外也支持由用戶主動發送特定的配置信息,如下表(表2)所示。如對以下功能感興趣,可以聯系駿龍科技對模塊功能進行定制。
表2 可拓展的輸出信息或輸入配置
性能表現評測試驗
對模塊的測試內容包括充電效率測試和工作溫度測試。如下圖 (圖6) 所示,它為測試現場環境條件照片,為25攝氏度的室內進行測量,模塊的對外接口采用焊接排針,利用杜邦線引出連接。所涉及的儀器和部件包括直流穩壓電源、3 種不同電壓鋰聚合物電池、電子負載儀器、紅外熱成像儀。
圖6 模塊測試現場照片
如下表 (表3)所示,它為 MCUM4162 模塊的充電效率測試結果數據表,試驗中分別采用了 3 串、4 串、6 串的常用鋰聚合物電池型號,將電量基本放空后開始充電。隨著充電過程變化,充電電流隨之減小,試驗記錄了每種電池在不同充電電流時刻下的輸入參數與充電參數。
在不同情況下,該模塊均能保持 95% 左右的充電效率。實際工作中的充電效率,會根據電池串數、充電電流、輸入電壓與電池電壓間的壓差等多種因素而變化。
表3 多種試驗條件下的模塊充電效率
由于模塊具備較高的充電效率,開關電源環路工作狀態穩定,加之板上采用理想二極管,因此整板熱點基本只有核心功能芯片 LTC4162 本身。如下圖 (圖7) 所示,分別展示了模塊在不同充電條件下,紅外成像的溫度表現。
模塊測試時未使用任何散熱片,無風冷氣流,在 25 攝氏度室溫下自然散熱,從圖中可以觀察到,在 50W 左右的充電功率條件下,核心芯片依然能夠保持 70 度以內的工作溫度。
對于最極限的電壓、電流工況的測試,由于條件所限沒有開展,本模塊的設計基本上能滿足常規鋰電池極限參數,一般情況下,充放電電流會被電池包的內置保護電路板限制在本模塊的能力以內。若用戶所需要的充放電電流較大,可以考慮將電池拆分成多個電池組,并配套多個 MCUM4162 模塊板并行使用。
圖7 模塊工作溫度紅外成像測試
總結
上文基于駿龍科技最新推出的4.2-33.6V電池智能充放電模塊,型號為MCUM4162,從工作原理、功能參數、性能測試等多個方面進行了講解。本模塊具備高智能化、高工作效率、使用簡單靈活、通用性強大等多方面的特點,特別適合用戶集成至高端工業儀器設備中,作為自動電池充放電和控制負載路徑、監測工作參數的前端供電功能模塊。
此外,駿龍科技的SmartPath系列產品還為客戶提供以下兩種版本,與本模塊類似。
6V-24V鉛酸電池智能充放電模塊(可支持帶太陽能板輸入與MPPT)
1-9串磷酸鐵鋰電池智能充放電模塊(可支持帶太陽能板輸入與MPPT)
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