得益于鋰基電池的高性能，電池驅(qū)動的草坪和園藝工具正穩(wěn)步取代噪音大且污染重的汽油動力工具。為滿足對更高功率及更長續(xù)航時間的需求，電池組的電壓和容量逐步提升。然而，高能量密度和小型化設(shè)計給設(shè)備設(shè)計人員帶來重大挑戰(zhàn)，其中最為突出的是產(chǎn)品安全性問題。

如今，無論是普通家庭用戶還是專業(yè)作業(yè)人員，都對戶外工具的功率輸出提出了較高要求，而電池動力設(shè)備制造商也對此做出了回應(yīng)。這些工具的功率輸出高得驚人，使用起來極為便捷；房主無需再為儲存易揮發(fā)的汽油而煩惱。通過快速更換備用電池并充電，續(xù)航時間短的問題也輕松得到解決。然而，這個快速發(fā)展的行業(yè)也并非一片坦途，仍面臨電池耐用性和高認證成本等難題。

1   電池組結(jié)構(gòu)

鋰錳氧化物（LMO）或鋰鎳錳鈷（NMC）因其高電芯單體電壓，成為動力工具電池的首選化學材料。圓柱形電芯單體通過串聯(lián)連接以達到所需的電池組電壓；電芯數(shù)量越少，電池組就越輕便、緊湊。要滿足高功率需求，就需要增加串聯(lián)的電芯數(shù)量；其數(shù)量以“S”后綴表示。常見的電池組配置范圍從10 S 到20 S 不等；根據(jù)化學材料的不同，對應(yīng)的標稱電壓為32 至80 V。

隨著電芯數(shù)量的增加，電芯間電壓失配的風險隨之上升；這也會造成荷電狀態(tài)不一致。電壓低于平均水平的電芯會削弱整個電池組的性能，而電壓過高的電芯通過智能電池監(jiān)測與電機控制，革新戶外則可能因過充而引發(fā)嚴重安全隱患——這對鋰基電池而言尤為危險。因此，高串數(shù)電池組需要具備智能調(diào)節(jié)功能，以防止充電不平衡。

一種方法是讓充電器檢查電芯電壓是否均衡，如果超出范圍，充電器就拒絕為電池組充電。這雖然確保了產(chǎn)品安全，卻也容易引發(fā)用戶不滿；因為昂貴的電池很快就會淪為擱置在花園棚屋里的門擋，工具也只好閑置一旁——當然，這樣一來，電池組的使用壽命確實能因此“大幅延長”。

2   簡單可靠

目前已有多種巧妙方案可通過功率互連矩陣和一個或多個DC-DC 轉(zhuǎn)換器，將能量從高電壓電芯轉(zhuǎn)移至低電壓電芯。這些方案被稱為電池管理系統(tǒng)，其中包含功率轉(zhuǎn)換功能。還有一種更為簡單的解決方案，即通過功率晶體管和電阻，有選擇性地對電壓較高的電芯進行部分放電，將多余能量以熱量形式耗散。Qorvo 公司的電源應(yīng)用控制器（PAC）系列電池監(jiān)測系統(tǒng)（BMS）采用的就是這種方法。每款Qorvo BMS 都具備以下功能：

●   精確測量所有電芯的電壓與電流

●   監(jiān)測電池及內(nèi)部溫度

●   緊急情況下自動切斷電池電流

●   在設(shè)備閑置時充當電池斷開裝置

●   通過晶體管與電阻實現(xiàn)主動電芯均衡

每款PAC2xxxx BMS 均可通過內(nèi)部25 Ω FET 實現(xiàn)電芯電壓均衡，其支持電流上限為50 mA（受內(nèi)部發(fā)熱限制）。然而，戶外工具通常需要更高的均衡電流，因此內(nèi)部FET 會控制外部晶體管，使其能夠處理數(shù)百毫安級的電流。圖1 展示了一種實現(xiàn)方式，其中內(nèi)部FET通過電阻器Rf 上的壓降使PNP 晶體管導(dǎo)通。

圖1 PAC2xxxx BMS利用外部晶體管實現(xiàn)電芯均衡

由此，更大的電流流經(jīng)該PNP 晶體管及其負載電阻，從而對電池組中任意位置的高電壓電芯進行部分放電。這種均衡過程既可在工具高負載運行時進行，也可在設(shè)備閑置狀態(tài)下完成。電芯荷電狀態(tài)的均衡有效延長了設(shè)備的運行時間和整體使用壽命。

實現(xiàn)精準的電芯電壓均衡依賴于極高精度的電壓測量。為此，每款PAC2xxx BMS 均配備一個專用的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專門用于電芯電壓測量及安全檢測。電池電流測量也需要高精度，以便進行庫侖計數(shù)，從而計算電池電量和使用壽命；這一任務(wù)則由另一個16 位ADC 承擔。

圖2 PAC2xxxx BMS的電池斷開與斷路器功能

每個Qorvo BMS內(nèi)部均集成了保護電路和用于驅(qū)動外部MOSFET的驅(qū)動器，二者協(xié)同工作，實現(xiàn)電池斷開與斷路器功能。圖2展示了一個簡化原理圖，其中包含兩個共漏極MOSFET，它們能夠分別阻斷充電或放電電流，在發(fā)生故障時自動切斷異常電流，并在閑置時將電池與電源端子斷開。在正常充電或放電操作期間，兩個MOSFET 均處于導(dǎo)通狀態(tài)，以將傳導(dǎo)損耗降至最低。

在“低功率/ 預(yù)充電”模式下放電時，充電泵會關(guān)閉，同時開啟一個內(nèi)部源極跟隨模式的MOSFET。第三個MOSFET 驅(qū)動一個可選的自控熔斷器（SCF）和/ 或一個發(fā)光二極管（LED）或繼電器。集成充電泵為高端柵極驅(qū)動器供電，從而減少了電路板上的元件數(shù)量。

對戶外動力設(shè)備制造商而言，固件開發(fā)是一項巨大的投入，因此在選擇BMS 與電機控制方案時，這成為一項關(guān)鍵考量因素。同時，安全性和性能要求也日益嚴苛。電機控制器必須與BMS 無縫協(xié)作，并支持在產(chǎn)品路線圖演進過程中復(fù)用已有代碼。Qorvo 的智能電機控制器正是針對上述挑戰(zhàn)而設(shè)計，進一步完善了PAC 產(chǎn)品線。

如圖3 所示，所有PAC 產(chǎn)品在功能上高度共通。其中，PAC22xxx BMS 與PAC52xx 電機控制器均搭載一顆50 MHz 的Arm Cortex-M0 32 位微控制器內(nèi)核，配備32 KB 嵌入式閃存和8 KB SRAM。PAC25xxx BMS 與PAC55xxx 電機控制器則采用150 MHz 的Arm Cortex-M4F 32 位微控制器內(nèi)核，內(nèi)置浮點運算單元（FPU），并配備128 KB 閃存和32 KB SRAM。

圖3 PAC智能BMS與電機控制器功能

它們均集成了豐富的外設(shè)，包括脈寬調(diào)制（PWM）模塊和其它定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、多種串行通信接口以及安全功能。每款PAC 均具備業(yè)界領(lǐng)先的休眠模式，即使電池組經(jīng)過數(shù)月存放，也能在喚醒后保持滿電狀態(tài)，隨時可供使用。

每個PAC 內(nèi)部的可配置模擬前端（CAFE）包含一個或多個高精度差分與單端可編程增益放大器，用于電流及其它物理量的感測；同時還配備多個功能特定的保護比較器，并配有專用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。這些DAC輸出和內(nèi)部參數(shù)會通過多路復(fù)用器接入一個ADC，用于定期安全檢查。

3   獨立于固件運行

BMS 和電機控制器的所有安全功能均可獨立于固件進行配置。例如，若電池組電壓超過安全閾值而固件因任何原因未能及時響應(yīng)時，BMS 的安全電路會自動切斷斷路器MOSFET，從而關(guān)閉工具或充電器，保護電池。內(nèi)部溫度監(jiān)測同樣具備此特性。

同樣，若BMS 或電機控制器中的電流超出安全限值，PAC 會自動切斷電流。部分電機控制器具備可配置的逐周期過流保護功能，能在保護電機免受過流損害的同時，讓電機繼續(xù)運行；此外還提供VDS 感測（DESAT 檢測）功能。部分PAC 電機控制器還設(shè)有制動和驅(qū)動禁用模式，由冗余安全微控制器激活并控制。

為進一步確保安全可靠的運行，每款PAC 均內(nèi)置看門狗定時器；其中PAC2xxxx 和PAC55xx 配備了帶獨立時鐘源的窗口型看門狗定時器。所有安全功能均符合UL/IEC60730 B 類安全標準。為進一步降低風險，加速產(chǎn)品開發(fā)和認證流程，Qorvo 提供了B 類預(yù)認證固件。

4   設(shè)計簡約

Qorvo PAC 產(chǎn)品以安全為核心主題，而實現(xiàn)這一理念的關(guān)鍵在于高度集成——這得益于其高壓制造工藝。集成式電源管理設(shè)計適用于20 V 至160 V 的特定工作電壓范圍。內(nèi)部多模式電源管理器的功能包括：

●   電壓調(diào)節(jié)器，用于生成各種內(nèi)部電壓

●   高端柵極驅(qū)動器，用于驅(qū)動外部功率晶體管

●   開關(guān)模式控制器，內(nèi)置補償（穩(wěn)壓）反饋回路，支持降壓和SEPIC 拓撲

● 自舉電源鉗位

圖4展示了一個典型的BMS 或電機控制器降壓電路實施方案，其作用是為內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的供電。推薦的元件參數(shù)已在數(shù)據(jù)手冊和用戶指南中明確列出。這種集成化的電源管理方案大幅減少了電路板上的元器件數(shù)量，包括DC-DC 控制器IC、反饋補償元件、隔離式柵極驅(qū)動器，以及電壓監(jiān)控器。更重要的是，由此顯著縮短了電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與測試周期。

圖4 降壓電源實現(xiàn)方案

應(yīng)用特定電源驅(qū)動器將三相橋式柵極驅(qū)動器集成到電機控制器PAC 中。除了外部驅(qū)動MOSFET 外，電路板上通常僅需保留柵極電阻以及自舉電阻- 電容- 二極管組件。圖5 展示了一個典型的半橋驅(qū)動配置；即用于驅(qū)動無刷直流（BLDC）或永磁同步電機（PMSM）的三個半橋之一。

圖5 典型驅(qū)動配置示意圖（半橋結(jié)構(gòu)）

如圖4所示的降壓轉(zhuǎn)換器為三個低端柵極驅(qū)動器供電，而自舉電路則為三個高端驅(qū)動器供電。請注意，這里存在三個獨立的自舉電路，每個對應(yīng)一相，但標記為VP_BST的節(jié)點則是共用的（即連接至所有三相）。低阻抗圖騰柱式FET 可最大限度地降低驅(qū)動器內(nèi)部的功耗；內(nèi)置溫度傳感器則可防止其過熱。

脈寬調(diào)制（PWM）外設(shè)特性包括：

●   多個16 位定時器

●   PAC55xx 系列支持高達300 MHz 輸入時鐘，實現(xiàn)高分辨率

●   靈活的鎖存模式與中斷機制

●   12位死區(qū)時間及互鎖發(fā)生器

高PWM分辨率有助于獲得非常精細的運動控制。對于戶外動力工具而言，這并非必需，但對于機器人及類似應(yīng)用則至關(guān)重要。

Qorvo提供梯形和正弦波電機控制固件庫，可大幅縮減開發(fā)時間及成本。

5   與不同MCU的高度集成性

將針對某一系列微控制器編寫的大型代碼庫遷移至其它平臺，可能并非可行之選。然而，通過使用帶模擬前端的電機控制驅(qū)動器，仍可實現(xiàn)設(shè)計簡化、成本降低和空間縮減等優(yōu)勢。例如，ACT72350 源自PAC5532，但去除了微控制器。它是一款三相、2 A 源/ 漏電機驅(qū)動器，集成了電源管理、CAFE，以及帶DAC 的保護比較器。它可與任何微控制器配合使用；既保留現(xiàn)有代碼庫和熟悉的工具集，又能提供其它PAC 電機控制器的功能優(yōu)勢。

ACT72350 包含一個帶集成控制功能的降壓轉(zhuǎn)換器，為內(nèi)部柵極驅(qū)動器和線性穩(wěn)壓器供電。第二個降壓轉(zhuǎn)換器提供5 V 電壓，可為外部微控制器供電。ACT72350具有25 至160 V 的輸入電壓范圍、逐周期電流限制、電壓和溫度鎖定、用于配置和狀態(tài)監(jiān)測的SPI 接口，以及休眠、制動和驅(qū)動器禁用模式。

6   安全運行與長效使用壽命

PAC智能電池監(jiān)測器和電機控制器能夠確保電池、工具的安全運行及長效使用壽命。精確測量功能可實現(xiàn)電量計算和電池電芯電荷均衡。靈活的PWM 與預(yù)認證固件庫簡化了代碼開發(fā)流程。

精密放大器、比較器、偏置電路、隔離柵極驅(qū)動器、驅(qū)動器電源、帶相關(guān)反饋和補償組件的PWM 控制器、電壓調(diào)節(jié)器以及電壓監(jiān)測器均從電路板移植到兩種類型的集成電路（IC）中。這些IC 無縫協(xié)作，極大地簡化了電池供電工具的開發(fā)流程，降低了風險，加快了開發(fā)速度，同時降低了成本和空間占用。

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本文所用圖片均由Qorvo 提供。

（本文來源于《EEPW》202601）