7串锂电池保护板详细设计说明.doc

7串锂电池保护板详细设计说明
一、 技术指标
l 最大工作电流：15A
l 过充保护电压：4.25V
l 过充恢复电压：4.15V
l 过放保护电压：2.8V
l 过放电恢复电压：3V
l 睡眠电压：2.5V
l 均衡误差：50mV
l 均衡电流：100mA
l 放电保护电流：25A
l 放电过流保护延时：10ms
l 充电保护电流：5A
l 充电过流保护延时：10ms
l 短路保护电流：60A
l 短路保护延时2ms
l 充电/加负载唤醒
l 充放电温度保护：留功能接口
l 睡眠静态电流：10uA
l 保护器内阻：<15毫欧
l 参考尺寸：L80*W58*H27mm
二、 方案选择
根据以上的指标，选择intersil公司的电池管理芯片ISL9208作为模拟前端芯片，控制器芯片使用PIC公司的PIC16F688单片机。框图如下图所示：
图1、结构框图
功能模块主要包括：
1． 模拟前端
2． 充放电采样电阻及开关
3． 单片机
4． 唤醒电路
5． 单片机外围接口
三、 模块说明
1． 模拟前端
模拟前端芯片使用intersil公司的ISL9208，它是针对5~7串的电池管理芯片。提供完善的过流保护电路、短路保护电路、3.3V稳压器、电池均衡控制电路、电池电压转换和冲放电FET驱动功能；同时过流保护和短路保护的电流值及延时时间均可编程；控制器可以通过I2C接口设置各寄存器的值。ISL9208通过使用内部的模拟开关，为带有AD转换的微控制器提供电池电压和内外温度管理。芯片特点有：
l 软件可编程过流阈值和保护时间。
l 快速短路保护
l 三种场效应管控制方式
Ø 背对背的充放电MOS控制
Ø 单一放电MOS控制
Ø 充放电MOS单独控制
l 集成充放电MOS驱动电路
l 3.3V稳压输出，精度是10%
l I2C接口
l 内部集成均衡MOS，最大均衡电流200mA。
l 可编程上升沿或下降沿唤醒
l 睡眠电流<10uA
l 工作电压2.3V~4.3V（不适合磷酸铁锂）
2． 充放电采样电阻及开关
充放电的采样电阻使用康铜丝制作。放电端采样电阻为4毫欧，使用2根1.2mm的康铜丝并联而成。充电端采样电阻为20毫欧，使用1根0.8mm的康铜丝。
放电端使用1个NMOS芯片，由ISL9208放电MOS控制脚控制。芯片使用IR公司的IRF1404，特性有：
l D、S击穿电压40V
l 导通电阻4毫欧
l 最大连续工作电流162A
l 最大脉冲电流650A
充电MOS使用2个NMOS芯片，分别由ISL9208的充放电MOS控制脚控制。芯片使
用IR公司的IRF7469，特性有：
l D、S击穿电压40V
l 导通电阻17毫欧
l 最大连续工作电流9A
l 最大脉冲电流73A
驱动电路如图2所示：

图2
R27和R28的作用消除电路中可能产生的过冲振荡；D1是为了防止电流灌入ISL9208的CFET管脚；D3的作用是保护Q23的G和S不超过20V。
充电器短路保护使用自恢复保险丝完成。
3． 单片机
单片机使用PIC公司的PIC16F688，这是一颗8位的高性能RISC单片机。特点有：
l 4K字flash，265字节SRAM，256字节EEPROM。
l 运行速度从0~20M。
l 8级的硬件堆栈。
l 2V~5.5V工作电压
l 8通道10位AD转换。
l 一路UART。
l 在线串行编程，接口使用ICSP协议
l 内部8M时钟发生。
l 带看门狗
l 低功耗设计，旁路电流小于1uA，正常工作电流小于2mA。
在保护板中单片机完成的任务主要有：
l 定时采集电池电压，并对欠压及过压做出相应反应
l 充电状态判断
l 均衡控制
l 读取过流标志，并相应动作
单片机的供电使用ISL9208提供的3.3V电压，出于功耗上面的考虑，在几个方面对单片机的外围电路进行了优化：
l 单片机工作在工作和睡眠交替的方式。0.2S工作，睡眠2.4S。
l 所有单片机的输入IO口都外接上拉或下拉电阻以降低睡眠电流。
l 对AD的2.5V参考电压使用PMOS进行开关控制，电路如图3所示。基准源由TL431产生，VREF_CTRL是开关信号，低电平有效，VREF是TL431的电压输出。由于PIC16F688的参考电压输入脚和ICSP编程的CLK脚是共用的，为了使编程能够顺利完成，电路中串联了R58，C15是消除参考电压通道上的噪声。

图3
4． 唤醒电路
唤醒电路包括2个，分别是负载唤醒和充电唤醒电路。电路如图4所示：图中P-连接的是负载的负极，C-连接的是充电器的负极，B+连接的是电池的正极，WKUP是唤醒信号，下降沿有效，且低电平的时间要求大于20ms（消除工频干扰）。
工作原理：在睡眠的时候充放电MOS管均衡处于关闭状态，因此P-和C-管脚均没有被电压驱动。当有电阻连到P+和P-之间的时候，Q25的B极就会产生一个上升沿脉冲，从而是WKUP出低脉冲。当有电阻连到C+和C-之间的时候，Q25的B极会产生一个高电平，从而使WKUP出低。当有电压连到C+和C-之间的时候，Q26的E极会出负的电压，从而使WKUP出低。

图4、唤醒电路
5． 单片机外围接口
单片机的外围接口有4芯的串口和6芯的烧写口。
串口主要用来与上位机的通信，通信内容有各节电池电压及各项技术指标。串口设置：波特率9600，一个停止位，无奇偶校验。
四、 总结
1. 散热
由于保护板处在一个空气相对静止的环境下，因此散热是较难做好的指标。电路中有几个发热元件，主要有放电支路MOS管，放电支路康铜丝，均衡电阻和PCB线路上的温升。其中康铜丝的温度最为严重。以下是总结的经验：
l 在用PCB铜箔作为散热的条件下，放电支路的MOS管的热阻（结点到环境）一般可以做到20~30℃/W之间，因此设计时尽量不要让MOS的功率超过2W。
l PCB的铜箔厚度使用2OZ，不但有利于降低线路阻抗，同时有利于散热。
l 均衡电流不宜超过100mA。实测2512封装的电阻在100mA均衡电流的情况下温升达到20°。
l 康铜丝的本身的热阻较大，他最好是通过铜箔为他散热。
l 实测康铜丝正极焊盘的温度会比负极焊盘的温度高，因此加大正极焊盘面积比加大负极焊盘面积更有意义。
l 在有过大电流的线路，最好都背面铺焊锡，以减小线路阻抗。
2. 改进
l PCB的铜箔厚度改用2OZ。
l 加大放电支路康铜丝正极焊盘的面积，使用背面散热。
l 加大放电支路MOS管的散热面积，使用正面散热。
l 充电康铜丝原先接到B-的管脚改连接到放电康铜丝的正极焊盘，这样有利于在充电支路短路的时候做保护。