骏龙科技最新推出4.2V-33.6V电池智能充放电模块!

作者：王斌 公司：骏龙科技

电池在工业仪器设备中扮演着举足轻重的角色，高效、稳定、智能的充电方案是设备可靠运行的保障。由骏龙科技最新推出的SmartPath系列充电模块，支持最高8串锂聚合物电池，充电电流可达到3A以上，适合常规的便携式工业仪器设备。模块能够自动切换后端负载的供电路径，并实时监测输出电路各节点工作数据，是用户产品迈向高端化、智能化的基石。此外，模块还可以定制为铅酸式、磷酸铁锂等更多种类电池充电，或支持太阳能板直接输入，并且能拓展更丰富的配置功能与输出参数。

工业仪器中的电池充电需求

如今的工业仪器和设备常常内置大容量的锂电池组，使其变成了便携式设备，能够灵活地改变工作运行的地点。在诸多使用场景中，工业仪器设备一般是依靠外部插电运行的，当外部输入电源意外中断时，内置电池可以立即替补成电能来源，让其主机无中断继续运行，大大提高了运转可靠性。目前，工业仪器设备中常用的直流输入电压为12V-28V，也有少部分5V、9V的，这主要是因为这些设备一般包含传感器、电机、高速处理器、高清屏幕等功耗较大的部件，提高母线供电电压可以使线路工作电流变小，从而减小发热损耗、降低电路板设计难度。

工业仪器设备中所用的内置锂电池电压略低于其直流输入电压，从而保证电池能够被外部直流供电充电，且在系统切换至电池供电时，电路的输入电压与切换之前相近。相对于单节锂电池而言，工业设备的内置电池是多节串联的高压电池，工程师需要设计专门的高效充电电路以保障设备实现安全快速的充电过程。此外，还要配套设计负载供电路径切换、电池放电管理等功能电路，甚至一些要求高的设备还需要监测电池充放电的状态。骏龙科技推出的电池充放电模块，可以最多支持到8节串联的锂离子电池，充电电流高达3A以上，且配备板载监测单元，可实时输出显示各处的工作参数。下面将就此模块的工作原理和参数性能展开讲解。

模块技术架构

如下图(图1)所示，为本次发布的充放电模块的技术架构和工作原理，该模块型号命名为MCUM4162，它是围绕ADI的高性能电池充放电管理芯片LTC4162设计而成的。其中，红色线段即电池能量的充放电路径。可以看到，路径上包含了多处理想二极管和电压电流采样节点，这使得模块能够实现自动切换末端负载的供电来源，并防止电流倒灌，保护前级部件。当DC输入正常时，它将给电池充电提供能量，同时为后端负载供电；当DC输入停止时，电池瞬间切换为放电路径，给后端负载继续供电。当配合一定的输出电容作为缓冲时，这个电能输出路径的切换过程约30uS，几乎不会被负载感应到，保障后端负载的真正持续供电。

此外，模块上板载的MCU，将持续与LTC4162芯片保持SMBus总线通信，实时读取解析芯片内部寄存器的值，并通过UART方式以0.5S的更新间隔频率输出模块上各关键节点的参数、告警信息，以及芯片工作状态等，具体内容将在后文中详细说明。根据LTC4162芯片的具体版本，此模块可以用于铅酸电池、磷酸铁锂等其他类型电池的充放电，还可以支持太阳能板直接接入模块的使用方式。若用户需要其他功能版本的模块，可以联系骏龙科技的技术人员。模块上的理想二极管、实时监测控制电路、外挂NTC温度监测等设计均能是为了保障电源输入端、电池本身，以及负载端的安全运行。综合以上也行，本产品归属于SmartPath系列产品。

图1 MCUM4162的模块技术架构图

如下图(图2)所示，为模块上的核心功能芯片LTC4162的芯片结构图。由于需要兼容不同电压、不同种类的电池，该芯片内部有多处DAC电路，用于产生各处模拟监测与控制电路的基准电压。板上的理想二极管是基于NMOS管形式实现的，LTC4162内置了理想二极管控制器功能。芯片还有多路采样通道，送入内置ADC，用于监测多处外围电路的电压和电流，以及温度数据等。这可以在局部出现过压、欠压、过流、过热等情况时，及时关断相应功能区，并产生告警信息。

更重要的是，作为电池充电管理芯片，LTC4162内置了各种类电池的充电控制逻辑，例如预充、恒流、恒压等状态的全流程管理，整个过程还支持改变控制的门限参数等。这套全面而复杂的数字化管理系统的对外窗口是庞大的寄存器阵列，读写过程是基于SMBus协议实现的。LTC4162的集成度高，它将开关电源控制电路和开关管都集成在仅4mm*5mm的封装中，外部连接电感即可实现开关式降压充电。虽然其工作电压和电流都不小，但其工作效率很高，实测中芯片的工作温度始终在相对低位运行。LTC4162的部分版本还支持MPPT自动控制算法，当使用太阳能板作为直流输入源时，MPPT功能可以将太阳能板的工作效率利用至最大化。

图2 LTC4162芯片的结构框图

对外接口和使用方法

如下图(图3)所示，为MCUM4162模块的产品实物图，其采用5mm*3.2mm的小面积插针孔式封装，非常便于用户集成到自行设计的电路板上。该模块技术指标如下：

直流输入电压范围4.5V-35V

支持电池范围2.7V-35V（对应锂聚合物电池1-8串）

最大充电电流/工作电流3.2A

充电效率95%左右

自动切换负载供电来源（直流或电池）

实时报告：当前运行阶段、输入电压电流、电池电压电流、负载端电压、芯片温度值、电池等效直流电阻（可评估电池健康）

告警功能：电池短路、电池断开、NTC过热、芯片过热、充电超时、输入限流、电池限流

图3 MCUM4162模块产品实物图

为方便用户更科学地布置自己的电路板，骏龙科技的技术人员将模块对外接口设计为左右分区式。如下图(图4)所示，为MCUM4162的对外接口和使用方法示意图，左侧是所有电气能源端的接口，包括输入电源、电池接入、NTC接入；右侧是负载端的接口，包括负载接入、串口通信、MCU复位端。用户在使用模块时，直接连接对应电气单元即可开始工作，通过MCU或串口终端还能够读取丰富监测数据。若采用太阳能板作为直流输入源，只需在输入端增加一个容量较大的电容即可。

只接入DC输入、电池正负极（NTC可不接）、输出负载三个电气组件，模块就可以正常工作。若将输出负载端悬空，模块也能单独实现电池的充电功能。对于模块接入的电池串数，需要通过板上的模式选择区域，将电阻焊接到对应位置，进行硬件预配置，在模块上电时即可自动识别。目前模块上的板载控制处理器需要外部引入3.3V电源供电，才能够通过串口输出数据，也有升级版本产品板载了3.3V自供电功能，用户根据具体需求可联系骏龙科技进行沟通购买。

图4 MCUM4162对外接口和应用示意图

运行参数数据输出功能

MCUM4162模块板载了MCU，通过SMBus总线读取核心功能芯片LTC4162的寄存器内容，并转换为对应真实数值参数或运行状态、告警信息，以UART TTL的方式输出。模块的默认串口波特率为115200，可支持定制修改。如下图(图5)所示，为该模块在串口中断软件上发送来的实际数据，其更新间隔为0.5S。默认情况下，输出内容将以这种易于人眼识别读取的方式显示，可免于配套专门的上位机软件。如果用户需要以数据包形式进行输出，从而便于接收端抓取识别数据，也可以联系骏龙科技免费定制协议。

首先是电路各关键位置的电参数信息，包括输入端的电压、电流，输出端的电压值，电池端的电压、电流，其中电池电流会显示为正负形式，正电流值表示电池正在充电，负电流值表示电池正在放电。通过以上指标可以直观判断系统各部件是否存在异常。

其次是核心充电芯片的运行温度，电池的等效直流电阻值。芯片温度主要是其内部的结温，它的显示值一般比芯片表面温度更高，能真实反映芯片当前承受的温度，确认其是否处于安全温度范围内。电池的等效直流电阻值可以用于判断电池健康程度，其阻值会随着电池的老化而增大，由于不同电池的等效电阻是有差异的，因此实际使用中需要依据这个阻值的变化趋势，来判断电池健康损耗情况。

图5 模块默认输出的串口数据

最后是模块当前的运行状态，以及告警内容或关键信息。这部分可显示的内容比较丰富，分类来看包含以下表(表1)中的信息。

表1 模块默认可输出信息内容

以上只是MCUM4162默认版本的数据输出内容。实际上，该模块还可以拓展更丰富的输出内容，另外也支持由用户主动发送特定的配置信息，如下表（表2）所示。如用户对以下功能感兴趣，可以联系骏龙科技对模块功能进行定制。

表2 模块可拓展的输出信息或输入配置

* 即将在下个版本产品中推出

性能表现评测试验

对模块的测试内容包括充电效率测试和工作温度测试。如下图(图6)所示，为测试现场环境条件照片，为25摄氏度的室内进行测量，模块的对外接口采用焊接排针，利用杜邦线引出连接。所涉及的仪器和部件包括直流稳压电源、3种不同电压锂聚合物电池、电子负载仪器、红外热成像仪。

图6 模块测试现场照片

如下表(表3)为MCUM4162模块的充电效率测试结果数据表，试验中分别采用了3串、4串、6串的常用锂聚合物电池型号，将电量基本放空后开始充电。随着充电过程变化，充电电流随之减小，试验记录了每种电池在不同充电电流时刻下的输入参数与充电参数。如表3所示，在不同情况下，该模块均能保持95%左右的充电效率。实际工作中的充电效率，会根据电池串数、充电电流、输入电压与电池电压间的压差等多种因素而变化。

表3 多种试验条件下的模块充电效率

由于模块具备较高的充电效率，开关电源环路工作状态稳定，加之板上采用理想二极管，因此整板热点基本只有核心功能芯片LTC4162本身。如下图(图7)所示，分别展示了模块在不同充电条件下，红外成像的温度表现。模块测试时未使用任何散热片，无风冷气流，在25摄氏度室温下自然散热，从图中可以观察到，在50W左右的充电功率条件下，核心芯片依然能够保持70度以内的工作温度。

对于最极限的电压、电流工况的测试，由于条件所限没有开展，本模块的设计基本上能满足常规锂电池极限参数，一般情况下，充放电电流会被电池包的内置保护电路板限制在本模块的能力以内。若用户所需要的充放电电流较大，可以考虑将电池拆分成多个电池组，并配套多个MCUM4162模块板并行使用。

图7 模块工作温度红外成像测试

总结

本文介绍了骏龙科技最新推出的4.2-33.6V电池智能充放电模块，型号为MCUM4162，从工作原理、功能参数、性能测试等多个方面进行了讲解。本模块具备高智能化、高工作效率、使用简单灵活、通用性强大等多方面的特点，特别适合用户集成至高端工业仪器设备中，作为自动电池充放电和控制负载路径、监测工作参数的前端供电功能模块。

此外，骏龙科技的SmartPath系列产品还为客户提供以下两种版本，与本模块类似。

6V-24V铅酸电池智能充放电模块（可支持带太阳能板输入与MPPT）

1-9串磷酸铁锂电池智能充放电模块（可支持带太阳能板输入与MPPT）

如需对接具体模块产品，了解更多技术细节、使用方法及相关方案，可联系骏龙科技，提交您的需求，骏龙科技将为您提供更深入的讲解与介绍。

参考文献

[1] LTC4162产品页面

https://www.analog.com/en/products/ltc4162-l.html

[2] ADI官方参考应用笔记

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-171_AN-1568.pdf

[3] ADI-适合任意化学组分电池的简单充电芯片

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html

[4] ADI-万能的电池充电器方案

https://www.analog.com/en/technical-articles/one-size-fits-all-battery-charger.html