作者：德州儀器 Evan Lew
本文提及的產品：MSP430FR2355、BQ76952
在電池組的助攻下，各種新世代個人電子產品相繼問世。從電動工具、電動腳踏車到電動車，許多高耗電量的產品受惠於高效能電池技術的進步，展現了全新風貌。隨著市場對於智慧電池系統的需求漸增，今日的電池必須比以往更安全、更高效與智慧化，選擇適合的 MCU 也成為關鍵課題。接下來，我們將聚焦 MSP430TM，分析其軟硬體功能如何解決電池系統的設計挑戰。
電池組基本介紹
為了確保電池單元在正常的溫度與電流範圍內運作，高效能電池單元（如鋰離子電池） 需要 BQ77915 這類的保護積體電路（IC）。部分系統則需要更多關於電池系統狀態的即時資訊，而電池保護 IC（如 BQ76952）能提供更精細的功能，協助電池系統的監測與控制。
一般而言，較高階的電池管理 IC 通常會搭配一個微控制器（MCU），用於配置與通訊，如圖 1 所示。
圖 1：鋰離子電池組原理圖
如果系統需要更進階的功能，例如電池電量追蹤或資料紀錄，MCU 就會扮演更不可或缺的角色。
運用低成本感測節省物料成本
有些電池組設計會使用 MCU 來偵測、回應溫度等不同環境參數。MSP430TM 系列的部分型號配備整合類比周邊設備，又稱為智慧類比模組（Smart analog combo，SAC），能取代運算放大器與其他類比訊號調節元件，有助減少物料清單（BOM）。此外，使用離散元件會壓縮電路板空間、提高設計成本，而 SAC 不需要外部電路，也能執行多種訊號調節與感測功能。
SAC 也是一款運作時間可調整的周邊設備，能實現動態最佳化與調整。舉例來說，SAC 具有可編程的增益模式，能因應多種設計配置，且不需要更換回饋電阻或其他外部零組件。這種模式能減少外部零組件的數量，增加原型設計的靈活度、簡化系統校準，並降低物料清單成本。
在電池組系統中，SAC 能作為通用型運算放大器，與 12 位元整合類比轉數位轉換器搭配進行電流量測。以搭載 SAC 的 MSP430FR2355 為例，這款 MCU 能執行低或高壓側電流量測。SAC 也能以最低的外部系統需求執行溫度量測。
借助高效能記憶體提升可靠度
許多創新應用對電池組的效能要求極高，用於健康狀態追蹤、電池電量追蹤的資料演算法因此更顯重要。當電源環境不穩定時，如果演算法有頻繁記錄、低延遲、資料完整性高等需求，低成本 MCU 可能無法負荷。然而，配備鐵電隨機存取記憶體（FRAM） 的 MSP430 系列能從容應對這類挑戰。FRAM 是一種高效能的記憶體技術，能實現快速、低延遲、低功耗的非揮發性記憶體。為什麼這會影響電池組的運作呢？由於電池的運作狀態接近臨界值時，可能在沒有預警 MCU 的情況下，觸發過電流或熱保護電路，而 FRAM 的低延遲特性能大幅降低意外斷電時資料損毀的機率。MSP430 MCU 也具有儲存與恢復功能，可讓軟體在供電中斷後順利回到前一項工作。
透過低功耗功能延長電池壽命
待機功耗越低，代表運作時間越長，也更有充足電量應付耗電的使用情境。MSP430 系列提供多種睡眠模式，能滿足各種電源需求。舉例來說，MSP430FR2355 在一般使用下的工作電流為 142 μA/MHz，待機電流為 620 nA，關機電流則為 42 nA。
SAC 也有降低系統功耗的妙用。作為內建的周邊設備，SAC 能在需要時動態啟動，不需要時斷電以節省電力。傳統的訊號調節技術則使用離散式運算放大器，無論是否在使用狀態，都會持續耗電。
TI 另提供 EnergyTrace 等軟體分析工具，能找出高耗能的軟體程序並以視覺化的圖表呈現，有助最佳化程式碼、實現低功耗運作。超低功耗（ULP）Advisor也包含多種實用工具，能輕鬆將程式碼的能源效率最佳化。ULP Advisor 在 Code Composer StudioTM 軟體中預設為啟用，並能與開發工具 IAR Embedded Workbench 搭配使用。
透過即用型 GUI 節省開發時間
開發初步原型並不容易，但 MSP430T 具備圖形用戶界面（GUI），能縮短 BQ76952 的開發與除錯流程，如圖 2 所示。將 MSP430FR2355 LaunchPadTM 開發套件與 BQ76952 評估模組（EVM） 搭配使用，便能呈現詳盡的關鍵電池資訊，解決為介面與初始化程序除錯的煩惱。
圖 2：MSP+BQ 儀表板介面
結論
使用電池組系統設計解決方案有其困難之處，未來市場也需要更高的能源密度、頂級安全規格與更多內建智慧功能。如果能為設計選擇適合的 MCU，便可簡化開發流程，進而縮短產品上市時間。MSP430 系列包含多種規格的 MCU，開發人員可輕鬆找到理想元件，一次滿足性能、功耗與成本需求。歡迎參考以下資源，探索相關產品與技術資源。
其他資源
- 瀏覽 MSP430 系列，立即開始設計。
- 下載應用報告：《使用低記憶體 MSP430 FRAM MCU 進行 EEPROM 模擬》。
- 造訪 MSP FRAM 軟體工具，進一步了解功耗計算（Compute Through Power Loss，CTPL）與其他 FRAM 功能。
- 閱讀 TI E2E 文章：〈運用 MCU 打造智慧空調第 6 步：能源最佳化〉，了解 MSP430 的低功耗特性如何應用於空調設計。
- 探索MSP+BQ 圖形用戶介面（GUI）。
