多节锂电池充电管理方案-TPS54201在扫地机器人的应用

作者: Stone Zeng (South China Mass Market)

       随着智能家居的流行，扫地机器人成为了年轻的都市白领的新宠，已经晋升为家庭必备家电三小件之一。 扫地机器人不仅可以完成琐碎的扫地工作，还可以自动回充，通常使用4节锂电池串联供电。目前市面上扫地机的充电管理大多采用分立方案实现，如图1所示，MCU实时采样电池的充电电压和充电电流，输出PWM经电平转换控制MOS实现闭环控制。由于MCU资源有限，开关频率通常在50K赫兹以下，外围器件多且功率电感体积大，此外，分立方案没有过流，短路保护功能。

图1 分立方案VS TPS54201-锂电池充电管理

       TPS54201 是一款输入电压范围为 4.5V 至 28V 的 1.5A 恒流驱动器，通过控制PWM 引脚调节电流。在SOT23-6封装内集成 150mΩ 和 70mΩ MOSFET，可实现高达95%的转换效率。如图2 所示，通过MCU采样电池电压，输出PWM控制TPS54201的充电电流，仅需4.7uH电感和极少的外围元件就可以组成一个完整的锂电池充电管理方案。 充电电流可达1.5A,支持1~6节锂离子电池，同时也支持磷酸铁锂电池。与分立方案相比，TPS54201充电方案不再需要电平转换电路，电流采样电路，MOS管和整流二极管，同时集成了过流短路保护功能。

图2 基于TPS54201多节锂电池充电方案

       为了更好的保护锂电池，一般要求充电过程按涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电截至四个阶段。图3是TPS54201的充电管理流程图，以四节锂电池为例，当适配器插入后，初始的PWM占空比D_PWM=0，当MCU 检测到电池电压小于12.8V, 设定D_PWM=10%, 进入预充阶段，此时的充电电流是额定电流的10%。当电池电压上升并达到12.8V后，设定D_PWM=100%，进入恒流充电阶段，充电电流上升至额定电流。随着充电电压上升并达到额定电压16.8V时，进入恒压充电阶段，以1%为步长（step），逐步减少D_PWM，保持电池电压接近额定电压16.8V。最后D_PWM减少至10%时，充电电流等于截至电流（通常为10%的额定充电电流），设定D_PWM=0%, 充电截至。

图3 TPS54201充电管理流程图

       总的来说，TPS54201充电方案外围器件少，控制逻辑简单，集成过流和短路保护，最高支持6节电池及1.5A充电电流，非常适合在扫地机中应用，也适用于其他成本敏感型应用。