得益于鋰基電池的高性能，電池驅動的草坪和園藝工具正穩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計給設備設計人員帶來重大挑戰，其中最為突出的是產品安全性問題。

如今，無論是普通家庭用戶還是專業作業人員，都對戶外工具的功率輸出提出了較高要求，而電池動力設備制造商也對此做出了回應。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的汽油而煩惱。通過快速更換備用電池并充電，續航時間短的問題也輕松得到解決。然而，這個快速發展的行業也并非一片坦途，仍面臨電池耐用性和高認證成本等難題。

1   電池組結構

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連接以達到所需的電池組電壓；電芯數量越少，電池組就越輕便、緊湊。要滿足高功率需求，就需要增加串聯的電芯數量；其數量以“S”后綴表示。常見的電池組配置范圍從10 S 到20 S 不等；根據化學材料的不同，對應的標稱電壓為32 至80 V。

隨著電芯數量的增加，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測與電機控制，革新戶外則可能因過充而引發嚴重安全隱患——這對鋰基電池而言尤為危險。因此，高串數電池組需要具備智能調節功能，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。這雖然確保了產品安全，卻也容易引發用戶不滿；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 轉換器，將能量從高電壓電芯轉移至低電壓電芯。這些方案被稱為電池管理系統，其中包含功率轉換功能。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 公司的電源應用控制器（PAC）系列電池監測系統（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

●   監測電池及內部溫度

●   緊急情況下自動切斷電池電流

●   在設備閑置時充當電池斷開裝置

●   通過晶體管與電阻實現主動電芯均衡

每款PAC2xxxx BMS 均可通過內部25 Ω FET 實現電芯電壓均衡，其支持電流上限為50 mA（受內部發熱限制）。然而，戶外工具通常需要更高的均衡電流，因此內部FET 會控制外部晶體管，使其能夠處理數百毫安級的電流。圖1 展示了一種實現方式，其中內部FET通過電阻器Rf 上的壓降使PNP 晶體管導通。

圖1 PAC2xxxx BMS利用外部晶體管實現電芯均衡

由此，更大的電流流經該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，也可在設備閑置狀態下完成。電芯荷電狀態的均衡有效延長了設備的運行時間和整體使用壽命。

實現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 位模數轉換器（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，從而計算電池電量和使用壽命；這一任務則由另一個16 位ADC 承擔。

圖2 PAC2xxxx BMS的電池斷開與斷路器功能

每個Qorvo BMS內部均集成了保護電路和用于驅動外部MOSFET的驅動器，二者協同工作，實現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 均處于導通狀態，以將傳導損耗降至最低。

在低功率/ 預充電模式下放電時，充電泵會關閉，同時開啟一個內部源極跟隨模式的MOSFET。第三個MOSFET 驅動一個可選的自控熔斷器（SCF）和/ 或一個發光二極管（LED）或繼電器。集成充電泵為高端柵極驅動器供電，從而減少了電路板上的元件數量。

對戶外動力設備制造商而言，固件開發是一項巨大的投入，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 無縫協作，并支持在產品路線圖演進過程中復用已有代碼。Qorvo 的智能電機控制器正是針對上述挑戰而設計，進一步完善了PAC 產品線。

如圖3 所示，所有PAC 產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 位微控制器內核，內置浮點運算單元（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，包括脈寬調制（PWM）模塊和其它定時器、模數轉換器（ADC）、多種串行通信接口以及安全功能。每款PAC 均具備業界領先的休眠模式，即使電池組經過數月存放，也能在喚醒后保持滿電狀態，隨時可供使用。

每個PAC 內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，并配有專用數模轉換器（DAC）。這些DAC輸出和內部參數會通過多路復用器接入一個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時，BMS 的安全電路會自動切斷斷路器MOSFET，從而關閉工具或充電器，保護電池。內部溫度監測同樣具備此特性。

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 電機控制器還設有制動和驅動禁用模式，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，加速產品開發和認證流程，Qorvo 提供了B 類預認證固件。

4   設計簡約

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

●   電壓調節器，用于生成各種內部電壓

●   高端柵極驅動器，用于驅動外部功率晶體管

●   開關模式控制器，內置補償（穩壓）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，其作用是為內部電路提供穩定的供電。推薦的元件參數已在數據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量，包括DC-DC 控制器IC、反饋補償元件、隔離式柵極驅動器，以及電壓監控器。更重要的是，由此顯著縮短了電源轉換器的設計與測試周期。

圖4 降壓電源實現方案

應用特定電源驅動器將三相橋式柵極驅動器集成到電機控制器PAC 中。除了外部驅動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動配置；即用于驅動無刷直流（BLDC）或永磁同步電機（PMSM）的三個半橋之一。

圖5 典型驅動配置示意圖（半橋結構）

如圖4所示的降壓轉換器為三個低端柵極驅動器供電，而自舉電路則為三個高端驅動器供電。請注意，這里存在三個獨立的自舉電路，每個對應一相，但標記為VP_BST的節點則是共用的（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動器內部的功耗；內置溫度傳感器則可防止其過熱。

脈寬調制（PWM）外設特性包括：

●   多個16 位定時器

●   PAC55xx 系列支持高達300 MHz 輸入時鐘，實現高分辨率

●   靈活的鎖存模式與中斷機制

●   12位死區時間及互鎖發生器

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用則至關重要。

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動器，仍可實現設計簡化、成本降低和空間縮減等優勢。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勢。

ACT72350 包含一個帶集成控制功能的降壓轉換器，為內部柵極驅動器和線性穩壓器供電。第二個降壓轉換器提供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、用于配置和狀態監測的SPI 接口，以及休眠、制動和驅動器禁用模式。

6   安全運行與長效使用壽命

PAC智能電池監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電量計算和電池電芯電荷均衡。靈活的PWM 與預認證固件庫簡化了代碼開發流程。

精密放大器、比較器、偏置電路、隔離柵極驅動器、驅動器電源、帶相關反饋和補償組件的PWM 控制器、電壓調節器以及電壓監測器均從電路板移植到兩種類型的集成電路（IC）中。這些IC 無縫協作，極大地簡化了電池供電工具的開發流程，降低了風險，加快了開發速度，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）