深入剖析bq78PL116EVM评估模块：从特性到实战应用

作为电子工程师，在电池管理系统的设计和测试中，一款优秀的评估模块能起到事半功倍的效果。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的bq78PL116EVM评估模块，了解它的特性、电路细节以及如何进行快速启动和全功能演示。

文件下载：BQ78PL116EVM.pdf

一、模块概述

1.1 特性亮点

bq78PL116EVM评估模块集成了一个bq78PL116和六个bq76PL102设备，搭配相关支持电路，具备诸多出色特性。它支持3 - 16节串联电池组，并行电池数量取决于通过感测电阻的电池电流。通过印刷电路板（PCB）上的焊桥，可以方便地配置奇数电池数量。对于典型的3.6V电池，它能支持10.8V - 57.6V的电池组，最大可达72V。其连续放电电流额定值为11.2A，充电电流额定值为10A，采用0.010Ω（等效）的分流电阻，能为bq78PL116提供3W、10mV/A的信号。此外，它还支持多达四个外部（安装在PCB上）和一个内部温度传感器，并设有用于连接远程温度传感器的接口。PowerPump™电池平衡电路可对所有电池进行平衡，4.7µH的电感器能实现70 - 90mA的平均平衡电流。同时，它具备电池断开MOSFET（充电、放电和预充电）、PACK±端子的瞬态电压保护、可插拔的电池连接端子块、与USB - TO - GPIO适配器兼容的SMBus连接以及用于远程禁用充电和放电MOSFET的EFCI连接等功能。还设有用于监测电池电压和其他重要电路网络的测试点，采用大电流螺柱式连接方式连接电池电源和电池组电源，并通过五个绿色LED和按钮开关进行SOC显示，红色LED用于熔断器熔断输出指示（SPROT）。另外，用户还可按需获取Mentor Graphics PADs 2009格式的EVM设计文件和Gerber文件。

1.2 套件内容

该评估模块包含HPA659印刷电路板。

1.3 设备要求

要使bq78PL116EVM正常运行，通常需要以下设备和软件：

• bqWizard™应用程序软件：这是一款运行在Microsoft™ Windows™系统上的应用程序，用于控制和与bq78PL116控制器进行交互。当前版本为3.0.16，需安装在兼容的个人计算机（PC）上，安装文件可从德州仪器网站（http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/bqwizard.html）获取。需注意，早期版本与bq78PL116不兼容，具体系统要求可参考bqWizard用户指南（SLUU336）。
• USB - TO - GPIO适配器：这实际上是一款德州仪器提供的评估模块，用于在bq78PL116和PC之间建立SMBus连接。其原始固件版本为1.0.10，必须使用TI网站（http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/usb2gpio-loader-sw.html）上的USB - TO - GPIO固件更新器软件将固件版本更新到2.0.19或更高版本。
• 电池模拟器：可使用由电源供电的电阻分压器代替实际电池。每个跨接在电池输入上的电阻应在10Ω范围内，且功率合适（5W），以避免过热。电源的电压额定值应为4.5V/节电池，电流驱动能力为4.5V/10Ω（即450mA）。若要连接负载，电源还需提供额外的电流以满足负载需求。一般不建议在使用电池模拟器时启用PowerPump™主动电池平衡功能，因为PowerPump™电流可能会导致电池电压超出bq78PL116和bq76PL102的工作范围。
• 实际电池：可使用锂离子可充电电池，典型电池电压额定值为3.6V。电池组通常由3 - 16节串联电池和1 - 4节并联电池组成，并联配置取决于感测电阻、bq78PL114的配置文件（.tmap文件）、放电/充电电流以及评估模块电源部分的功率耗散能力。
• 电源：可能需要一个或两个电源，分别提供电池电源和充电器电源。电池电源用于为电池模拟电阻和连接到PACK±端子的负载供电，若使用真实电池组则无需此电源；第二个电源连接到PACK±端子，提供充电器电源。在将电池与充电器电源配合使用时需谨慎，部分电源无法承受电流反馈到其输出端子，可在电源正输出电压上连接一个合适尺寸的阻塞二极管，以防止电流反馈到电源电子设备中。
• 电子负载：常用于从电池吸收电流或功率，并通过评估模块。恒流负载是评估bq78PL116电量计性能的理想选择，设备额定值取决于应用，典型的电子负载选择标准是电压额定值最高为4.5V/节电池，放电能力最高为10A，分辨率为1mA。
• 数字万用表：需要一个或两个能够测量电压、电流和温度的数字万用表，其精度应等于或高于bq78PL116和bq76PL102的精度评级，以进行充分评估。
• 示波器：如果需要评估波形或进行定时测量，则可能需要示波器。用户可能感兴趣的典型波形包括SMBus信号（100kHz）、PowerLAN™总线（150kHz）或PowerPump™信号（200kHz），还可捕获bq78PL116上DSG、CHG和PRE信号的激活时间，这些信号的时间基准可低至100µs。

二、电路细节与配置

2.1 连接方式

• 电池连接（J9 - J12）：电池组的电池感测线为bq78PL116和bq76PL102供电，并连接到PowerPump™电路。若电池数量为N，则电池线数量为N + 1。在偶数串联电池数量的应用中，设备电源由偶数电池提供；对于奇数串联电池组，除顶部设备由顶部奇数电池供电外，情况相同。电池连接器由四个可插拔的端子块组成，具体连接方式可参考文档中的表格。
• 电池连接（J5, J3）：将电池的正电流连接端连接到BATT + 端子（J5），负电流连接端连接到BATT - 端子（J3）。BATT±连接为单个重型螺丝端子，配有10 - 32 x 3/8"L螺丝，最大额定电流为30A，实际电流受其他电路板组件限制。
• 电池组连接（J6, J4）：将负载或充电器的正电流连接端连接到PACK + 端子（J6），负电流连接端连接到PACK - 端子（J4）。PACK±连接同样为单个重型螺丝端子，最大额定电流为30A，实际电流受其他电路板组件限制。
• SMBus连接（J8）：SMBus连接器（J8）用于连接USB - TO - GPIO适配器，其引脚分配可参考文档中的表格。
• EFCI连接（J7）：EFCI头提供对bq78PL116的EFCID和EFCIC引脚的访问，可用于远程关闭DSG和CHG输出，其引脚分配可参考文档中的表格。
• 远程温度传感器连接（J1, J2）：bq78PL116可监测多达四个串联的双二极管以测量电池温度，传感器通过电池组配置文件（.tmap）分配给电池。默认配置为在电路板上的T1、T2、T3和T4位置安装四个传感器，用户也可自行制作传感器PCB并远程安装。使用远程传感器时，需移除T1 - T4传感器，J1和J2头的引脚分配可参考文档中的表格。
• 接地：电路板上有两个接地端：VSS和GND，它们由电流感测电阻分隔。VSS是bq78PL116的接地端，GND是参考PACK - 的设备接地端，PACK - 连接器与GND相同。靠近PACK - 连接标记为GND1的测试环用于连接PACK接地，应将GND1作为连接到评估模块的任何测试设备的接地端。若测试设备的接地端连接到VSS，可能会发生接地泄漏，影响感测电阻的读数。VSS测试点仅适用于接地隔离的测试设备，如便携式电池供电的数字万用表。
• 测试点：评估模块上设有多个测试环，包括用于系统GND的GND1测试点（连接接地测试设备时使用，颜色为黑色）、用于监测bq78PL116和bq76PL102电池电压读数的V1 - V16测试点（颜色为红色）、用于监测PowerPump™电路中电感器开关的SW1 - SW15测试点（颜色为白色）、用于查看安全规则定时的bq78PL116的SPROT、DSG、CHG和PRE测试点（颜色为黑色）、连接到bq78PL116和bq76PL102的VLDO输出的VLDO1 - VLDO8测试点（用于硬件故障排除，需使用隔离电压表，如电池供电的数字万用表）、用于查看PowerLAN™网络信号的SDO0、2、4、5、6、7、8和PLAN测试点（颜色为白色）、对应SMBus时钟和数据信号的CLK和DAT测试点（接地参考为PACK - 或GND1测试点）以及位于预充电电阻R76和R75两侧的Z和P + 测试点（用于监测预充电电路中的电流）。

2.2 焊桥配置

PCB左侧长边设有焊桥，用于短路未使用的设备输入。可根据串联电池数量，参考文档中的表格确定需要短路的焊桥。若不想使用焊桥，也可使用J9 - J12头中的一根线进行跳线连接，具体细节可参考原理图。

2.3 bq76PL102

评估模块上的六个bq76PL102电路将bq78PL116的功能从四个电池扩展到最多16个电池。每个bq76PL102根据电池组是偶数还是奇数，监测电池中一个或两个电池的电压，并通过电容耦合的单线PowerLAN™总线将此信息传输给bq78PL116。它还根据bq78PL116的命令驱动5 - 16号电池的PowerPump™电路。bq76PL102按电池数量增加的顺序连接，即U1、U2、U3、U4、U5和U6。V1引脚连接到电池对中较低电池的正极，V2引脚连接到较高电池的正极。对于奇数编号的电池组，最高的bq76PL102的V2引脚不使用，需将其短路到同一设备的V1引脚，可通过电路板上的焊桥轻松实现。若两个输入（V1或V2）都未连接，则可将它们留作开路。此外，bq76PL102未连接温度传感器，电池和PCB的温度传感由bq78PL116完成，bq76PL102的未使用输入XT1和XT2留作开路。

2.4 bq78PL116

bq78PL116 PowerLAN™主网关控制器根据预期的电池数量在评估模块上创建PowerLAN™网络，其操作取决于用户的配置。工厂默认配置为三个电池，若需要其他配置，可参考bqWizard用户指南（SLUU336）和应用报告“What is a .tmap File?”（SLUA542）来创建电池组配置文件。评估模块的默认固件配置可参考文档中的表格。工厂设置中，电池断开操作全部关闭，出于安全考虑，用户需要编辑算法启用寄存器，清除最高位（称为禁止安全规则），或将该位设置为1，然后根据需要设置强制CFET、DFET和PFET位。强制xFET位仅在连接bqWizard™应用程序时有效。需注意，禁用安全规则并永久打开MOSFET控制引脚（DSG、CHG和PRE）在连接锂离子电池到评估模块时可能会很危险，操作时需谨慎。

2.5 PowerPump™电路

每个bq76PL102和bq78PL116的PowerPump电路采用独特的电荷穿梭电路，将电荷从较强的电池转移到较弱的电池，以保持电池组的最佳性能。每个PowerPump™电池平衡电路使用4.7µH的电感器，可产生约70 - 90mA的平均电流转移。工厂默认的PowerPump™电路设置可参考文档中的表格，具体配置细节可参考bq78PL116技术参考手册（SLUU481）。

2.6 感测电阻

评估模块包含三个0.030Ω、1W的电阻并联，等效电阻为0.010Ω，这是bq78PL116固件的默认值。bq78PL116通过测量电阻上的电压降来测量电流，该电阻允许的测量范围为 - 11200mA至 + 10000mA，负电流表示放电电流，正电流表示充电电流。具体的电流范围计算公式可参考文档。连接电阻的铜面积尽可能大，以散发热量，BATT - 和PACK - 连接也提供额外的散热功能。默认电阻在最大电流（ - 11.2A）下的温度升高约为35°C，即1.25W的功率耗散会导致35°C的温度升高，约为28°C/W。可通过更换默认电阻来改变等效电阻，从而改变评估模块的电流范围，该范围主要受PCB散热能力的限制。

2.7 预充电电阻

预充电电阻R75和R76由晶体管Q7和Q27控制，为深度耗尽的电池提供限流充电路径。当DSG和CHG输出关闭充电和放电MOSFET（Q26||Q15，Q13||Q25）时，预充电路径会激活，例如CUV或PUV安全规则激活，或电池电压低于bq78PL116的EUV阈值（通常为2.5V）。在这种情况下，预充电电流可将电池组安全充电到合理水平，然后恢复全充电。预充电路径对于bq78PL116的操作至关重要，若电池电压过低导致bq78PL116进入EUV模式，该模式下bq78PL116需要每节电池大于2.9V才能恢复正常操作，若无预充电电流，bq78PL116可能无法从EUV关闭状态唤醒。预充电电阻的计算公式可参考文档，在该电路中，假设了一些值来计算得到1500Ω的预充电电阻，最终选择了两个3000Ω的电阻并联。

2.8 电池组断开MOSFET

三个电池组断开MOSFET分别为放电（Q25||Q13）、充电（Q26||Q25）和预充电（Q7||Q27），它们分别由bq78PL116的DSG、CHG和PRE引脚控制，MOSFET的操作与bq78PL116的控制引脚同相，即控制引脚为ON时，MOSFET也为ON，控制引脚为2.5V逻辑。选择这些MOSFET是为了能够承受评估模块预期的最大电压（16节电池×4.5V，即72V），并提供低串联电阻。充电和放电MOSFET的VDS击穿电压为100V，RDSON约为0.020Ω，预充电MOSFET的VDS也为100V，但RDSON不需要那么低。放电和充电MOSFET的高输入电容若没有适当的驱动电路，可能会导致关断时间变慢。在该评估模块中，驱动电路采用了一个JFET，与MOSFET栅极上的1MΩ电阻相比，其输出电阻较低，可快速将MOSFET栅极上的电荷拉走，实现快速关断，这些10mΩ的开关（两个0.020Ω并联）的关断时间可小于1毫秒。

2.9 SOCI LED和按钮

通过五个LED提供电池充电状态指示（SOCi），由标有SOCI的按钮激活。每个LED段代表20%的充电增量，但在加载CHEM ID文件（.chem）和辅助化学文件（.aux）初始化电量计之前，SOC指示可能不准确，具体细节可参考应用报告“Chemistry Selection for bq78PL114”（SLUA505）。

2.10 PACK端子保护电路

PACK±端子上设有多个保护组件，包括瞬态电压抑制器（D1）、串联的电容器对（C41和C42）和续流二极管（D2），以及用于ESD保护的串联电容器对（C10和C22）。由于这是一个评估模块，电线长度可能比实际系统设计中更长，在MOSFET开关时会产生更高的电感，电池断开开关的开关动作会导致电压尖峰，这些尖峰与通过电池的电流有关。并联连接的设备（D1、D2、C41和C42）可限制可能的电压尖峰，所有这些设备，尤其是D1，都是为16节电池操作而设计的，较低电池数量的系统可能需要不同的瞬态电压保护设备（D1），具体电路指南可参考“System Design Guidelines for the bq78PL114”应用报告（SLUA537）。

三