4.2V-33.6V 电池智能充放电模块

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。

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，也有少部分使用 5V、9V 的电压。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。

如下图 (图1) 所示，它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。我们可以看到，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，本产品归属于SmartPath 系列产品。

如下图 (图2) 所示，它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 x 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。

如下图 (图3) 所示，它为 MCUM4162 模块的产品实物图，其采用 5mm x 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

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，它为 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。

MCUM4162 模块板搭载了 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，它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。
  

• 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，具体分类信息如下表 (表1) 所示：

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 可拓展的输出信息或输入配置

* 表示即将在下个版本产品中推出

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，它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。

如下表 (表3)所示，它为 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。

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。

上文基于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）

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LTC4162 产品页面

ADI 官方参考应用笔记

ADI - 适合任意化学组分电池的简单充电芯片

ADI - 万能的电池充电器方案