本文從電動自行車能源轉變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設計電動自行車的鋰電池充、放電保護電路的方案。該方案從系統架構、充放電電路、檢測及保護電路設計的每一個細節論述設計的全過程，為電動自行車電源的設計者提供了比較全面的參考。


隨著電動自行車使用的逐漸普及，電動自行車的能源也成為眾人關心的焦點。以前所使用的鉛蓄電池體積大，質量重且不回收會污染環境，而鋰離子電池正在成為鉛蓄電池的替代品，它以具有較高的能量重量比和能量體積比，無記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命較長的優點成為電動自行車的首選能源。


目前應用于電動自行車的多為3并10串或4并10串電池組。
但它對充電器、保護電路的要求比較苛刻。要求較高的控制精度(精度高于1％),充電方式是恒流恒壓方式，有過壓充電保護。且能對于電壓過低的電池進行預充，充電終止檢測除電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限定充電時間，為電池提供附加保護。


采用集成度高，超低功耗的MSP430F20X3系列的單片機做此方案具有優勢。MSP430F20X3系列為高速、低功耗、模數混合信號單片機，集成度高，功能強，體積小，低功耗。它適用于小型產品設計中尋求較高精度測量的應用。


MSP430F2013的結構特性

與其它類型的單片機相比，MSP430F20X3系列有以下特性：

　　?低電壓范圍1.8~3.6V；

　　?超低功耗五種省電模式；

　　?從待機到喚醒不超過1mS；

　　?16位精簡指令集；

　　?帶2個捕獲/比較寄存器的16位定時器TimerA_2；

　　?集成差分PGA輸入和內部參考電壓的16位A/D；

　　?通用串行接口(USI)，支持SPI和
I2C；

　　?電源電壓監測。


系統架構

本方(fang)案所(suo)需要外(wai)加的(de)外(wai)圍電路少，結(jie)構簡潔。可進(jin)行完(wan)善(shan)的(de)過(guo)流、過(guo)壓以(yi)及超溫保(bao)護，顯示充電管(guan)理(li)過(guo)程。結(jie)構框圖如圖1。

圖1 充放電保護結構框圖充電/放電控制電路

充電控制電路設計的核心是利用PWM控制MOSFET管的導通，MSP430F20X3系列時鐘頻率最高為16MHz。如果取PWM分辨率為9
位，MOSFET管工作頻率為16000000/512=32768 (Hz)，在音頻范圍外，不會產生噪聲。考慮到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關系，電源輸出最多能控制到1/256，完全滿足設計精度的需要。原理圖如圖
2。

圖2 PWM控制充電電路

此外必須選擇適合的MOSFET，一般選擇一些高速、導通電阻小、最大漏極電流大器件的，如ROHM的RTF020P02。


電池組電壓/電流/溫度檢測電路

由于MSP430F20X3系列的指令速度可達16MIPS，且SD_16的采樣速度為4kSPS，而且電池電壓/電流/溫度變化緩慢，因此對電池組中單節電池電壓/電流/溫度檢測采用輪回檢測即可完全滿足系統設計需要；16位的高精度保證了對每節電池溫度、恒流、恒壓等要求的準確控制。對單節鋰電池充電的曲線如圖3。

圖3 單節鋰電池充電的曲線

基于混合信號的MSP430F20X3系列MCU支持高頻PWM工作(32kHz)、高速響應(納秒級響應)，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統還可以準確判斷充電的不同階段設定充電電流。對低成本電池充電器提供強(qiang)有力的MCU 解決方(fang)案。