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電池管理單元和電源轉(zhuǎn)換單元的組成

來(lái)源:
2025-06-09
類別:基礎(chǔ)知識(shí)
eye 3
文章創(chuàng)建人 拍明芯城

電池保護(hù)芯片

  • 核心功能

    • 過(guò)充保護(hù):電池充電時(shí),電壓會(huì)逐漸升高。當(dāng)電壓超過(guò)電池設(shè)定的安全上限(如鋰離子電池通常為 4.2V 左右),電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)變得不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致電池發(fā)熱、鼓包甚至爆炸。電池保護(hù)芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓,一旦檢測(cè)到過(guò)充情況,會(huì)迅速切斷充電回路,停止充電。

    • 過(guò)放保護(hù):放電過(guò)程中,電池電壓會(huì)逐漸降低。當(dāng)電壓低于一定閾值(如鋰離子電池約為 2.7V),繼續(xù)放電會(huì)損害電池的化學(xué)結(jié)構(gòu),減少電池的循環(huán)壽命。保護(hù)芯片在檢測(cè)到過(guò)放時(shí),會(huì)切斷放電回路,防止電池過(guò)度放電。

    • 過(guò)流保護(hù):無(wú)論是充電還是放電,如果電流過(guò)大,都可能對(duì)電池造成損害。保護(hù)芯片會(huì)監(jiān)測(cè)電流大小,當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的安全值時(shí),及時(shí)切斷電路,保護(hù)電池安全。

    • 短路保護(hù):當(dāng)電池的正負(fù)極直接短路時(shí),會(huì)產(chǎn)生極大的電流,瞬間損壞電池甚至引發(fā)危險(xiǎn)。保護(hù)芯片能在極短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到短路情況,并迅速切斷電路。

  • 組成結(jié)構(gòu)

    • 電壓檢測(cè)電路:由高精度的電壓比較器等元件組成,能夠精確測(cè)量電池的電壓,并將其與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。

    • 電流檢測(cè)電路:通常采用電流傳感器(如霍爾傳感器或電阻采樣電路)來(lái)檢測(cè)電流大小,并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。

    • 控制邏輯電路:根據(jù)電壓和電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào),判斷電池是否處于異常狀態(tài),并控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)元件(如 MOS 管)來(lái)切斷或接通電路。

電量計(jì)量芯片

  • 核心功能

    • 電量估算:通過(guò)測(cè)量電池的電壓、電流和溫度等參數(shù),結(jié)合電池的特性曲線(不同類型電池的特性曲線不同,如鋰離子電池、鎳氫電池等),采用特定的算法(如庫(kù)侖計(jì)數(shù)法、開(kāi)路電壓法等)來(lái)估算電池的剩余電量。例如,在智能手表中,電量計(jì)量芯片會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算電池的剩余電量,并以百分比的形式顯示在屏幕上,方便用戶了解電池的使用情況。

    • 電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè):長(zhǎng)期使用后,電池的容量會(huì)逐漸衰減。電量計(jì)量芯片可以監(jiān)測(cè)電池的健康狀態(tài),通過(guò)分析電池的充放電特性,評(píng)估電池的剩余容量和性能衰減程度,為用戶提供電池更換的參考。

  • 組成結(jié)構(gòu)

    • 模擬前端電路:負(fù)責(zé)采集電池的電壓、電流和溫度等模擬信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

    • 微處理器:運(yùn)行電量計(jì)量算法,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,計(jì)算出電池的剩余電量和健康狀態(tài)。

    • 通信接口:與智能手表的主控芯片進(jìn)行通信,將電量信息傳輸給主控芯片,以便在屏幕上顯示。

均衡電路(針對(duì)多節(jié)電池串聯(lián)情況)

  • 核心功能:在多節(jié)電池串聯(lián)使用的場(chǎng)景中(如一些高端智能手表可能采用多節(jié)電池串聯(lián)來(lái)提高電壓),由于電池個(gè)體之間的差異,可能會(huì)導(dǎo)致各節(jié)電池的充放電狀態(tài)不一致。均衡電路的作用就是使各節(jié)電池的電量保持一致,避免某節(jié)電池過(guò)充或過(guò)放,從而提高整個(gè)電池組的性能和壽命。

  • 組成結(jié)構(gòu)

    • 均衡電阻:通過(guò)與電池并聯(lián)的電阻來(lái)消耗電量較多的電池的能量,實(shí)現(xiàn)電量均衡。這種方法簡(jiǎn)單可靠,但會(huì)消耗一定的能量,產(chǎn)生熱量。

    • 開(kāi)關(guān)電容均衡電路:利用電容的充放電特性,將電量較多的電池的能量轉(zhuǎn)移到電量較少的電池中,實(shí)現(xiàn)無(wú)損均衡。這種方法效率較高,但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

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電源轉(zhuǎn)換單元組成

DC - DC 轉(zhuǎn)換器

  • 降壓型(Buck)DC - DC 轉(zhuǎn)換器

    • 開(kāi)關(guān)管(如 MOS 管):在控制信號(hào)的作用下,周期性地導(dǎo)通和截止,控制輸入電壓的通斷。

    • 電感:在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),儲(chǔ)存能量;在開(kāi)關(guān)管截止時(shí),釋放能量,起到平滑電流的作用。

    • 二極管:在開(kāi)關(guān)管截止時(shí),為電感中的電流提供續(xù)流回路。

    • 電容:用于濾波,減小輸出電壓的紋波,使輸出電壓更加穩(wěn)定。

    • 控制芯片:產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止的脈沖信號(hào),根據(jù)輸出電壓的反饋信號(hào)調(diào)整脈沖的寬度(PWM 調(diào)制),以穩(wěn)定輸出電壓。

    • 核心功能:將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓,以滿足智能手表中一些低電壓模塊(如處理器、傳感器等)的需求。例如,智能手表的電池電壓通常為 3.7V 左右,而處理器可能需要 1.8V 或 3.3V 的工作電壓,降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)這一電壓轉(zhuǎn)換。

    • 組成結(jié)構(gòu)

  • 升壓型(Boost)DC - DC 轉(zhuǎn)換器

    • 核心功能:將較低的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出電壓。在一些特殊情況下,智能手表可能需要較高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)某些模塊,如背光燈等,升壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器可以滿足這一需求。

    • 組成結(jié)構(gòu):與降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器類似,但開(kāi)關(guān)管、電感、二極管和電容的連接方式不同。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感儲(chǔ)存能量;在開(kāi)關(guān)管截止時(shí),電感釋放能量,與輸入電壓疊加,從而實(shí)現(xiàn)升壓。控制芯片同樣采用 PWM 調(diào)制來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

  • 升降壓型(Buck - Boost)DC - DC 轉(zhuǎn)換器

    • 核心功能:無(wú)論輸入電壓高于還是低于輸出電壓,都能實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換,使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的值。這種轉(zhuǎn)換器具有更廣泛的輸入電壓范圍,適用于一些輸入電壓變化較大的應(yīng)用場(chǎng)景。

    • 組成結(jié)構(gòu):結(jié)合了降壓型和升壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn),通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和控制策略,實(shí)現(xiàn)輸入電壓到輸出電壓的靈活轉(zhuǎn)換。

LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)

  • 核心功能:將輸入電壓降低到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓,具有輸出電壓穩(wěn)定、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。常用于對(duì)電壓精度要求較高、電流較小的模塊,如智能手表中的一些傳感器模塊。例如,某些環(huán)境傳感器可能需要 1.8V 的穩(wěn)定電壓,LDO 可以為其提供精確的電壓輸出。

  • 組成結(jié)構(gòu)

    • 調(diào)整管:通常采用 PNP 型或 PMOS 型晶體管,通過(guò)控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

    • 誤差放大器:將輸出電壓的反饋信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較,放大誤差信號(hào),并控制調(diào)整管的柵極或基極電壓,以穩(wěn)定輸出電壓。

    • 基準(zhǔn)電壓源:提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓,作為誤差放大器的比較基準(zhǔn)。

    • 反饋電阻網(wǎng)絡(luò):將輸出電壓按一定比例分壓,反饋給誤差放大器,實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制。


責(zé)任編輯:Pan

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標(biāo)簽: 電池管理單元

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