bq20z90EVM - 001电池管理解决方案评估模块深度解析

在电池管理系统的设计与开发中，评估模块的选择至关重要。今天，我们就来详细探讨一下TI的bq20z90EVM - 001 SBS 1.1 Impedance Track™技术启用的电池管理解决方案评估模块，它为电子工程师提供了一个全面且高效的评估平台。

文件下载：BQ20Z90EVM-001.pdf

1. 模块特性与套件内容

1.1 特性亮点

• 完整评估系统：该评估模块是bq20z90 SBS 1.1兼容的高级电量计、bq29330模拟前端（AFE）和保护IC以及bq29412独立过压保护IC的完整评估系统。借助Impedance Track™技术，能准确预测电池容量，为电池管理提供可靠数据。
• 快速设置：预装配的电路模块，让工程师可以快速搭建评估环境，节省时间和精力。
• 便捷评估：配备PC软件和接口板，方便工程师进行各种测试和分析，软件还支持数据记录，有助于系统分析。

1.2 套件内容

• 电路模块：包含bq20z90/bq29330/bq29412电路模块，是整个评估系统的核心。
• 软件CD：提供评估软件，为评估过程提供软件支持。
• 文档支持：一套支持文档，帮助工程师更好地理解和使用评估模块。

1.3 订购信息

EVM PART NUMBER	CHEMISTRY	CONFIGURATION	CAPACITY
bq20z90EVM - 001	Li - ion	2, 3, or 4 cell	Any

2. 基于bq20z90/bq29330的电路模块

2.1 电路模块连接

电路模块上的触点提供了多种连接方式：

• 电池连接：直接连接到电池单元，如1N (BAT -)、1P、2P、3P、4P (BAT +)。
• 通信连接：连接到串行通信端口（SMBC、SMBD），用于数据传输。
• 负载与充电器连接：系统负载和充电器通过PACK +和PACK -连接。
• 系统状态连接：连接到系统存在引脚（SYS PRES），用于判断系统状态。

2.2 引脚描述

PIN NAME	DESCRIPTION
1N	-ve connection of first (bottom) cell
1P	+ve connection of first (bottom) cell
2P	+ve connection of second cell
3P	+ve connection of third cell
4P	+ve connection of fourth (top) cell
SMBC	Serial communication port clock
SMBD	Serial communication data port
SYS PRES	System present pin (if low, system is present)
PACK -	Pack negative terminal
VSS	Pack negative terminal
PACK +	Pack positive terminal

3. 电路模块原理图与预充电模式

3.1 原理图

原理图与用户指南中的物料清单一致，为电路设计和修改提供了基础。

3.2 预充电模式选择

为了实现充电功能，充电FET（CHG - FET）必须导通以形成电流路径。当电池电压为0V且CHG - FET导通时，PACK +的电压会很低，可能导致设备供电不足。bq29330提供了三种预充电模式：

• 0 - V Charge FET模式：使用额外的FET（ZVCHG - FET）提供预充电电流路径，维持PACK +电压水平。
• Common FET模式：不使用专用的预充电FET，默认将充电FET（CHG - FET）设置为导通状态。
• Precharge FET模式：使用额外的开漏（OD）引脚驱动FET（PCHG - FET）提供预充电电流路径，维持PACK +电压水平。

要使用特定的充电模式，可根据表2添加或移除一些元件，并使用给定的DF.Configuration、ZVCHG1、0设置。

MODE	RESISTORS	PRECHG FET	ZVCHG1	ZVCHG0
1 0 - V Chg (default)	R18, R23	Q3	0	0
2 Common FET	R20	Q2	0	1
3 Precharge	R19, R23	Q3	1	0

3.3 熔断测试电路

为了防止在熔断测试过程中电路板功能受损，电路中未提供实际的化学熔断器。当发生熔断条件时，FET Q4会将TP4拉低，因此监测TP4可以测试该条件。应用板上熔断器的放置位置可参考bq20z90数据手册中的参考板原理图。

4. 电路模块物理布局与物料清单

4.1 电路板布局

详细展示了bq20z90/bq29330模块的尺寸、PCB层（图1 - 图5）和组装图，为电路板的制作和组装提供了清晰的指导。

4.2 物料清单

Count	Ref Des	Description	Size	MFG	Part No.
20	C1 - C27（部分）	Capacitor, ceramic, 0.1 μF 50 V, X7R, 20%	0603	Any	STD
1	C14	Capacitor, ceramic, 0.22 μF, 50 V, X7R, 20%	0603	Any	STD
……	……	……	……	……	……
1	U1	IC, voltage protection for 2, 3, or 4 cell Li - Ion, 2nd protection, 4.45 V, OVP	SSOP - 08	TI	bq29412DCT
1	U2	IC, 2 - 3, or 4 cell series protection control AFE	TSSOP30	TI	bq29330DBT
1	U3	IC, impedance track advanced gas gauge	TSSOP30	TI	bq20z90DBT

4.3 性能规格总结

Specification	Min	Typ	Max	Units
Input voltage Pack + to Pack –	6	15	25	V
Charge and discharge current	0	2	7	A

5. EVM硬件与软件设置

5.1 系统要求

bq20z90EVSW软件需要Windows 2000或Windows XP操作系统。虽然提供了Windows 98SE的驱动程序，但由于微软不再支持Windows 98，可能会出现USB驱动支持问题。

5.2 软件安装

可从power.ti.com的bq20z90工具文件夹中找到最新软件版本。安装步骤如下：

1. 将CD中的文件复制到所选的临时目录，打开TI USB DRVRS.zip存档文件，将其内容提取到子目录/drivers中，提取时选择保留目录结构选项。也可以直接运行同一目录下的SETUP.EXE文件。
2. 将EV2300插入USB端口。
3. 等待系统提示“新硬件已找到”，选择“手动选择位置”，使用浏览按钮指向子目录TIUSBWin2K - XP - 1。
4. 对驱动未通过微软认证的警告选择“继续”。
5. 安装完成后，系统再次提示“新硬件已找到”，重复上述步骤，但指向子目录TIUSBWin2K - XP - 2。
6. 再次对驱动未通过微软认证的警告选择“继续”，完成驱动安装。
7. 对于Windows 98系统，指向目录TIUSBWin98。
8. 返回提取文件的临时目录，双击Setup.exe图标安装EV软件。

如果从网络下载文件，先打开包含安装包的存档文件，将其内容复制到临时目录，然后按照上述步骤进行安装。

6. 故障排除

在安装过程中，如果遇到意外对话框，需要确保从zip文件中提取文件时使用了“保留文件夹名称”选项，并且所有文件都已成功提取。下载文件的用户必须以管理员身份登录，由于驱动未签名，管理员需要在操作系统策略中允许安装未签名的驱动程序。

7. 硬件连接

7.1 电路模块与电池组连接

根据电池组的类型不同，连接方式也有所不同：

• 4 - 电池组：按1N (BAT -)、1P、2P的顺序连接。
• 3 - 电池组：按1N (BAT -)、1P、2P的顺序连接，然后将4P和3P连接在一起。
• 2 - 电池组：按1N (BAT -)、1P的顺序连接，然后将4P、3P和2P连接在一起。

要开始充电或放电测试，将PRES引脚连接到PACK -引脚以设置SYS PRES状态；要测试睡眠模式，断开PRES引脚。

7.2 PC接口连接

• 将基于bq20z90/bq29330的智能电池通过导线连接到EV2300，连接关系如下：	bq20z90/bq29330 - Based Battery	EV2300
  SMBD	SMBD
  SMBC	SMBC
  VSS	GND

• 将PC USB电缆连接到EV2300和PC的USB端口，完成硬件设置。

8. 操作说明

8.1 启动程序

从“开始”|“程序”|“Texas Instruments”|“bq20z90 EVSW”菜单序列运行bq20z90 EVSW程序，会出现SBS数据屏幕。点击（单次扫描）按钮或勾选复选框后，数据开始显示。若要禁用扫描功能，取消勾选。

可通过“Options”|“Set Scan Interval”菜单选择设置连续扫描周期，范围为0 ms到65535 ms。只有选择扫描的项目才会在该周期内进行扫描。

8.2 数据记录功能

bq20z90 EVSW提供数据记录功能，可记录EVSW最后扫描的值。选择“Start Logging”按钮启用该功能，此时“Keep Scanning”按钮会自动选中。停止记录时，“Keep Scanning”按钮仍然选中，需要手动取消勾选。

记录间隔可在“Options”菜单中设置，最大值为65535 ms。记录间隔不能小于扫描间隔，否则会导致同一值至少记录两次。

8.3 SBS数据屏幕

该屏幕显示SBS数据集以及额外的ManufacturersAccess()命令信息，如单个电池单元测量值。通过选择SBS屏幕底部的相应选项卡，可以查看额外的标志和静态数据。

SBS.ManufacturerName()等数据是静态的，不会发生变化，可通过屏幕底部的“Static Data”选项卡单独查看。拖动分隔标志/静态数据和SBS值的分隔条可以改变标志/静态数据显示的高度，选择“View”|“Auto Arrange”可将分隔条恢复到原始位置。

8.4 设置可编程选项

bq20z90数据闪存按照bq20z90数据手册中的默认设置进行配置。为了获得最佳性能，需要确保设置正确更改以匹配正在评估的bq20z90/bq29330解决方案的电池组和应用。

可使用数据闪存屏幕（图9）配置设置。点击“Data Flash”|“Read All”菜单项可读取bq20z90数据闪存中的所有数据；点击所需位置，输入数据并按键可写入整个闪存数据选项卡，也可以选择“Data Flash”|“Write All”菜单项。在进行写入操作之前，必须先读取数据闪存，以避免将错误数据写入设备。

“File”|“Special Export”菜单项允许导出数据闪存，但会将导出的数据闪存配置为适合大规模生产使用的学习状态。通过选择“File”|“Export”并输入文件名，可以将数据闪存配置保存到文件中，也可以通过这种方式检索、导入数据闪存文件，并使用“Write All”按钮将其写入bq20z90。

bq29330的配置信息和模块校准数据也保存在bq20z90数据闪存中。bq20z90支持自动数据闪存导出功能，类似于SBS数据记录功能。通过“Options”|“Auto Export”选择该功能后，数据闪存会导出到一系列按顺序命名的文件中，文件名格式为FilenameNNNNN.gg，其中N为0到9的十进制数字。

自动导出间隔可在“Options”菜单中设置，最小值为15 s，自动导出文件名也在“Options”菜单中设置。当“AutoExport”旁边有复选标记时，表示自动导出正在进行，再次选择同一菜单项可打开或关闭自动导出功能。

如果数据闪存屏幕为空，可能是正在使用的bq20z90不被当前使用的bqEVSW版本支持，可能需要进行升级。

9. 校准屏幕

9.1 校准前准备

在对bq20z90进行校准之前，需要根据校准类型进行相应的准备工作：

• 若使用FETs进行校准，需要在Pack -和Pack +之间连接一个约2A的负载，并测量放电电流。
• 若不使用FETs进行校准，需要在Batt -和Pack -之间连接一个电流源。
• 测量电池组从Batt +到Batt -的电压（电池单元电压总和）。
• 测量电池组的温度。

需要注意的是，连接电池进行电压校准时需要特别考虑，电池必须处于静止状态。如需更多信息，可访问TI网站（www.ti.com），访问TI知识库并搜索“bq20zxx Calibration Using EV Software”。

9.2 校准bq20z90

选择要执行的校准类型（如图10所示），输入所选类型的测量值。如果选择了电压校准，需要输入电池组中的电池单元数量；如果选择了温度校准，需要选择要校准的传感器。如果负载连接在Pack +和Pack -之间，需要勾选“Use FETs”复选框，最后按下“Calibrate Part”按钮。

9.3 电路板偏移校准

该操作用于对电路板的电流偏移进行偏移校准。移除负载/外部电压，将Pack -短路到Batt -，然后按下“CC Board Offset Calibration”按钮。

9.4 电池组电压校准

该操作用于校准AFE Pack引脚处的电压。确保已经对电池组进行了电压校准，否则电池组电压校准可能会出现错误。移除施加在Pack +和Pack -之间的负载/外部电压，按下“Pack Voltage”按钮进行校准。

10. 专业（高级）屏幕

10.1 SMB通信

SMBus上的读写操作集并非特定于任何电量计，它们作为通用通信工具提供（如图11所示）。

10.2 十六进制/十进制转换器

两个文本框可实现十六进制和十进制之间的转换，输入值后会立即进行转换。无效值可能会导致错误结果。当将转换后的十六进制值扩展到更多字节时，需要遵循以下规则：

• 选择无符号时，左填充为零。
• 选择有符号时，正数的左填充为零，负数的左填充为F。

10.3 编程

该屏幕允许从未加密和加密文件对设备进行重新编程。

综上所述，bq20z90EVM - 001评估模块为电子工程师提供了一个全面、便捷的电池管理解决方案评估平台。通过深入了解其特性、硬件连接、软件操作和校准方法，工程师可以更好地评估和开发电池管理系统。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。