283
智能电池是众多锂充电电池中的一种，它自带 SMBus（System Management Bus）。SMBus 是一种 I2C 总线，遵从 I2C 总线协议和电气特性。智能电池可通过 SMBus 在系统主机、智能电池、智能电池充电器和其它智能设备之间传递命令和数据信息。
如下图所示即为使用智能电池的一个应用系统组成。
图 1 智能电池框图
智能电池通常还自带热敏电阻，用来实时监控电池温度，提高电池的安全性，温度信号可输出。
常用的智能电池接口一般有 5 个信号，分别为：
1.Vbat
2.Temperature
3.SMBus-SCL
4.SMBus-SDA
5.GND
由于智能电池带有 I2C 通信接口，因此它可以作为一个 I2C 设备接入整个系统的 I2C 总线，和总线的上的其他设备进行信息的交换。
不同的智能电池规格略有不同，本参考设计方案使用的智能电池规格如下：
两芯可充电锂电池
- 空电池电压为 6V
- 充满后电压最大为 8.4V
- 最大可充电电流 2A
- 5 个输出接口（Vbat, Temperature, SCL, SDA, GND）
- 控制芯片为 BQ40Z50, 可接收 ChargingCurrent(),ChargingVoltage() 等命令查询，其它命令可参照芯片技术手册
- 内置 PTC (正温度系数) 热敏电阻，常温下 10K,60 度为 70K
实际使用的智能电池如下图所示：
图 2 本方案中使用的电池
智能电池充电器基本原理
智能电池充电器简称为 SBC（Smart Battery Charger）。SBC 和传统的充电器相比更为智能化。它可以通过 SMBus 和系统内的主机、智能电池以及其它设备进行实时通信，交换信息。一个完整的智能电池充电器应用系统如下图所示。
图 3 智能电池充电器应用系统
主机可以通过 SMBus 对整个系统，包括系统电源，电池以及充电器进行管理。也可以脱离主机，只由电池和充电器组成相对简单的智能电池充电器系统。本参考设计即为后者。
基于 LPC845 的智能电池
充电器参考设计方案
参考设计方案使用 LPC845 作为控制芯片，利用芯片的 GPIO, PWM, ADC 和 I2C 功能，可实现最基本的充电管理，电池 SMBus 通信和 LED 显示功能。利用芯片的 SPI 通信功能可实现 LCD 显示功能。利用芯片串口通信功能，可扩展开发在 PC 机上进行串口信息打印。利用芯片的其他未用的 GPIO 和通信模块可扩展开发应用系统通信和管理的功能。
1 功能框图
本设计的功能模块主要由以下部分组成：
电源部分：12V DC 输入。一路提供给降压变换器（Buck converter），输出充电电压。一路提供给 LDO，输出 3.3v 和 5v。
降压变换器：可根据输入 PWM 波的占空比来调节输出电压，提供智能电池充电电压。
控制芯片 LPC845，54 个 GPIO 管脚，可满足基本功能和扩充功能的开发。
智能电池接口。
输出显示：三色 LED，2.8 吋 LCD
如图所示为本参考设计方案的功能框图，图中蓝线所示为 SMBus，控制器 LPC845 通过它和智能电池交换实时充电信息。
图 4 智能电池充电器功能框图
2 硬件描述
如图所示为本参考设计方案的硬件组成，图中右边绿色电路板为 LPC845 智能充电控制板，由 12 伏直流电源供电，上部为 5 芯智能电池接口，和智能电池连接。左边为 LCD 显示板。
图 5 智能电池充电器硬件组成
3 主要功能
智能电池充电器主要功能如下：
- 提供完整的 3 个充电阶段：包括预充、恒流充和恒压充。
LPC845 通过 SMBus 查询智能电池的 ChargingVoltage() 和 ChargingCurrent()信息来判断目前所处的充电状态，动态调整充电电压。
- 通过 SMBus 查询智能电池的 BatteryStatus()信息，若有告警则停止充电。
- 实时监控热敏电阻 Rss 阻值，判断电池是否处于过热状态。
- 3 色 LED 指示灯，用来指示充电状态。
- LCD 显示，用来提供更详细更精确的实时充电状态
4 具体规格和充电阶段
智能电池充电器具体规格：
输入规格
- 输入电压 直流 +12V
- 输入电压范围 最小: 9V 最大: 15V
- 输入电流 500mA
- 输入电流范围 最小: 400 mA 最大: 600mA
输出规格
- 输出电压 ( 结束充电)直流 8.15V
- 输出电压范围 最小: 6V 最大: 8.4V
- 输出电流 ( 恒流充电)350 mA
- 输出电流范围 最小: 0mA 最大: 385 mA
智能电池充电器在不同充电阶段的具体操作如下：
若电池电压<=6.3v，则认为电池为空电池，先以小电流(65mA)进行预充，同时监测电池（充电）电压；
当电池电压>6.3v 时，进入恒流充阶段，使用 350mA 进行快充，调节 PWM 占空比来稳定电流，同时监测电池（充电）电压；
当电池电压>8.15v 时，已达到满充电压，进入恒压充阶段，使用 8.15V 进行快充, 同时监控充电电流；
当充电电流<40mA 时，认为电池充满，结束充电。
如图所示为智能电池充电器充电阶段示意图，横轴为充电时间，纵轴为电池（充电）电压及电流。红线为充电电流，蓝线为电池（充电）电压。
图 6 充电阶段示意图
如果对一个空电量或电量很低的的智能电池进行充电，则充电过程将会是一个完整的充电过程，包括充电中的所有阶段。而如果智能电池有残余电量，则充电阶段往往会跳过预充阶段，充电时间也会随着残余电量的不同而有所不同。
5 信息输出
智能电池充电器的信息输出方式有两种，一种利用 3 色 LED 灯指示基本的充电状态，在没有 LCD 显示的情况下，也能让用户了解当前的充电情况。
蓝灯点亮表示正处于正常的充电状态中，
绿灯点亮表示充电正常结束，
红灯闪烁则表示电池状态错误，比如电池不在位，电池过期，或者充电错误，比如充电过流，过充，过热等情况。
下图为 3 色 LED 灯指示状态：
图 7 3 色 LED 灯指示状态
另一种是在有 LCD 显示屏的情况下，可输出更为详细的充电信息。
- 在预充阶段（Pre-charging）：可显示温度、电池电压、充电电流和电池电量；
- 在恒流充阶段（CC Charging）：可显示温度、电池电压、充电电流、电池电量和剩余充电时间；
- 在恒压充阶段（CV Charging）：可显示温度、电池电压、充电电流、电池电量和剩余充电时间；
- 电池充满时（Charge Full）：可显示温度、电池电压、充电电流和电池电量
下图为 LCD 显示输出：
图 8 LCD 显示输出
总结
通过以上对智能电池以及智能电池充电器参考设计方案的介绍，使用新型的智能电池充电器，可以更方便地获取智能电池的实时数据，更准确地了解智能电池的实时状态，以最大程度地延长电池的使用寿命，确保每块电池都能保持良好状态，更快速精确地给电池充满电量。
而使用 LPC845 来完成这个参考设计，不但可以利用 LPC800 系列的低成本优势，完成智能电池充电器的基本充电管理功能，还可以在此基础上实现诸如信息显示，系统通信和系统管理的扩展功能，使得该参考设计具有很强的针对性和灵活性。
更多有关本次参考设计的具体设计细节可参考即将在 NXP 官网上发布的相关应用笔记。
