基于开关模式电源实现智能管理系统的设计

锂电池具有体积小、比能量大、寿命长、放电性能好的特点。短短几年时间，已经广泛应用于笔记本电脑、手机、便携式DVD、vcd，并且随着生产技术的发展，有进一步优化的趋势。锂电池有这么多优点，制造成本相对较低，是未来最有前途的便携式电池。
对于便携式电池，希望在获得大容量电能的同时，尽可能减轻系统重量，提高电池的效率和寿命。此外，由于便携式设备的散热条件普遍较差，所以对整个电源系统的效率也有要求。
开关电源最大的特点就是效率高。使用开关电源可以有效降低大容量电池充电系统的功率损耗，从而大大降低整个系统的发热量。本文对基于开关电源的锂离子/锂聚合物智能管理系统进行了详细的分析和设计。
1智能管理系统的结构
本文采用目前应用最广泛的恒流恒压充电方式，利用开关电源提供电池充电所需的电压和电流，并利用单片机和一系列外围电路实现充放电控制和电池保护功能。
单片机与开关电源相结合，可以构建锂离子/锂聚合物电池智能管理系统：开关电源的主电源回路负责将电能转化为电池充电所需的形式，同时要尽量提高效率，降低电压和电流纹波；单片机负责控制整个系统的运行，包括设置充电器的参考电压和电流值，充电结束或处于保护状态时关闭充电器，智能监控电池的充电状态，根据电池电压、充电电流和温度等各种参数实现对电池的一系列保护功能。
整个智能管理系统分为充电器和电池组两部分。充电器主要包括主电源回路和部分电源控制电路。电池组部分包括电池、检测电路和单片机控制电路。这两部分通过接口相互连接，能量从充电器传输到电池组，一部分控制信号控制电池组充放电电路的开启和闭合，另一部分从电池组发送到充电器，控制充电器的启动和关闭，输出恒压恒流值。
电源回路是开关电源，负责给电池充电。功率控制芯片接收来自单片机的恒压恒流基准等控制信号，结合功率回路输出的电压和电流反馈，实现电路在不同要求下的正确输出。在电池组部分，单片机通过电压检测、电流检测和温度检测等电路实时了解电池的状态，并确定电池是否需要充电，充电模式是恒流还是恒压，充电过程何时结束，电池是否超温等。此外，单片机还必须检测异常情况下的电池过压、过流和过温，及时采取保护措施，并发出报警信号，显示报警原因。外部控制器可以预设恒压恒流，的参考值，也可以手动干预充电和放电过程。
2电路设计
电路设计包括充电器和电池组。
1)充电器的设计
本文设计了一种具有工频输入和恒流恒压输出的交流/DC开关电源。充电器的具体要求如下：输入电压：130 ~ 265 vac输出电压Uo变化范围：0 ~ 30 VDC输出恒流io变化范围：0 ~ 10a输出电压纹波Uppm:根据上述充电器指标，开关电源最大输出功率达到pomax=uomax  iomax=30v 10a=300w，假设电路效率=80%，最大输入功率为
由于功率较大，我们采用PFC  DC/DC两级模式来提高电源的功率因数，降低不利影响
在PFC部分，采用应用最广泛的Boost电路结合CCM平均电流模式实现PFC效果。Boost电感电流平均值基本遵循正弦输入电压，使得整个电路具有良好的PF效应和较小的THD含量，从而降低了变换器对电网的不利影响。
由于电路的最大输出功率pomax为300w，DC/DC部分的设计选择了大功率容量、控制相对简单的双晶体管正向拓扑(图4)。在这种拓扑中，使用两个二极管来复位激磁电流，两个MOSFET两端的电压也箝位在输入电压，因此可以选择耐压相对较低、导通电阻相对较小的开关管，有效降低电路的导通损耗。然而，因为在新的开关周期开始之前激磁电流必须减小到零，所以电路的占空比必须限制在0.5以下，使得激磁能量可以在周期结束之前完全反馈到输入端，从而避免可能的变压器磁偏置甚至饱和。
2)控制电路设计
充电器部分的控制电路主要包括辅助电源部分，负责向充电器部分的控制电路和主电源电路的电源控制芯片部分(包括PFC和DC/DC控制)供电。除了恒流参考信号、恒压参考信号和电路保护信号由电池组部分的单片机发送给充电器控制电路外，其他所有控制功能均由充电器控制电路独立完成。