一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)方法

摘 要：針對(duì)常見(jiàn)鋰電池過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、電池電量監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出一種實(shí)用的解決方案，該方案采用DS2762芯片作為核心器件，配合必須的外圍器件完成對(duì)鋰電池的監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與主控制器交換信息，為主控制器提供電池的各種狀態(tài)信息。該電路方案性能優(yōu)良，擴(kuò)展性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備，完成對(duì)電池的全面監(jiān)控和管理。

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關(guān)鍵詞：鋰電池; 狀態(tài)監(jiān)測(cè); 安全保護(hù); 剩余電量估計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN710-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0192-03

A design method of Li+ battery monitoring circuit

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XIE Zhuo1， ZHAO Peng-bin2

(1.Xi’an Telecommunication College of PLA， Xi’an 710106， China；2. Shaanxi Fenghuo Electronics Co. Ltd.， Baoji 721006， China)

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Abstract：

With the rapid development of the portable devices， the battery technology is becoming the crucial one to interfere the development， especially the power management and control are paid important attention. In this paper， a method is presented to protect Li+ battery， estimate remaining capacity， and acquisit battery statement. The design adopted DS2762 as the key component with other circuits to achieve the goal， the data wire swapping information with a host controller was used to provide the precise temperature， voltage， and current measurement for the host controller. The circuit has an excellent performance and fine extensibility， and may be widely used in all kinds of electronic equipment to finish the battery monitoring and management.

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Keywords： Li+ battery; state monitoring; safety-protection; remaining capacity estimation

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收稿日期：2011-09-05

0 引 言

隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音頻視頻播放器等便攜式電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，其工作及待機(jī)時(shí)間逐漸成為限制其發(fā)展的一項(xiàng)瓶頸技術(shù)。延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)間一般從兩方面入手：提高電池容量及效率；加強(qiáng)電池用電量管理。目前便攜式電子設(shè)備大都使用的是可充電鋰電池。鋰電池是指以鋰為負(fù)極材料的化學(xué)電池的總稱(chēng)，包括鋰離子電池、鋰聚合物電池等。該類(lèi)電池?zé)o記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命較長(zhǎng)，具有較高的能量/質(zhì)量比和能量/體積比。同時(shí)該類(lèi)電池不足在于在充電及使用過(guò)程中要求比較苛刻，充電過(guò)流、過(guò)壓以及放電短路、過(guò)熱等情況都會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命及性能，需要在使用過(guò)程采用用電路進(jìn)行控制及管理。同時(shí)為了提高電池的使用率及全面掌握電池的狀態(tài)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電池電壓、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)間、溫度等諸多信號(hào)，根據(jù)該類(lèi)決定控制策略，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。通常，在電池放電過(guò)程中，電池電壓與剩余電量、工作時(shí)間之間并不是線(xiàn)性關(guān)系，所以不能簡(jiǎn)單地采用電壓采樣、函數(shù)計(jì)算剩余電量[1-2]。針對(duì)該要求，設(shè)計(jì)了一種基于芯片的鋰電池監(jiān)測(cè)及保護(hù)電路，同時(shí)配合主控制器(MCU)完成對(duì)鋰電池的可靠管理及有效保護(hù)，實(shí)際使用及測(cè)試表明該設(shè)計(jì)合理可行。

1 DS2762芯片介紹

DS2762是MAXIM公司推出一款集數(shù)據(jù)采集、信息存儲(chǔ)和安全保護(hù)于一體的高精度Li+電池監(jiān)視器，專(zhuān)為對(duì)成本敏感的電池組應(yīng)用設(shè)計(jì)。這款低功耗器件集成了精確的溫度、電壓、和電流測(cè)量，非易失(NV)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及Li+電池保護(hù)電路，采用小尺寸的TSSOP封裝或倒裝片封裝。對(duì)于剩余容量估計(jì)、安全監(jiān)視和電池特性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用來(lái)講，采用DS2762進(jìn)行電池監(jiān)測(cè)是比較合適的方案。該芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、充放電狀況及剩余電量等參數(shù)，并可以把這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，提供給單片機(jī)作相應(yīng)處理[3-4]。它的主要特性有：

(1) 提供Li+電池安全電路，包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流/短路保護(hù)、欠壓保護(hù)。

(2) 累積電流或溫度超過(guò)用戶(hù)設(shè)置的門(mén)限時(shí)，向主機(jī)發(fā)出警示信號(hào)。

(3) 電流檢測(cè)可使用內(nèi)置25 mΩ檢流電阻或外部用戶(hù)可選檢流電阻。

(4) 電流測(cè)量。12位雙向測(cè)量。

內(nèi)部檢流電阻：0.625 mA LSB和±1.9 A動(dòng)態(tài)范圍；

外部檢流電阻：15.625 μV LSB和±64 mV動(dòng)態(tài)范圍。

(5) 電流累計(jì)。內(nèi)部檢流電阻：0.25 mAhr LSB；

外部檢流電阻：6.25 μVhr LSB。

(6) 電壓測(cè)量分辨率為4.88 mV。

(7) 使用集成傳感器測(cè)量溫度，分辨率為0.125 ℃。

(8) 支持系統(tǒng)電源管理和控制功能。

(9) 32 B可鎖定E2PROM，16 B通用SRAM。

(10) Dallas 1-WireR○接口，具有惟一的64位器件地址。

(11) 低功耗。工作電流：典型為60 μA，最大90 μA；休眠電流：典型為1 μA，最大為2 μA。

該芯片采用TSSOP封裝，其管腳分配及定義如表1所示。

表1 DS2762管腳分配及定義

管腳

TSSOPFLIP CHIP符號(hào)定義

1C1CC充電保護(hù)控制

2B1PLS用戶(hù)端電壓正極

3B2DC放電保護(hù)控制

4，5，6A3SNS感應(yīng)電阻連接端

7B4DQ數(shù)據(jù)輸入、輸出端口

8C4IS1感應(yīng)輸入端

9D4IS2感應(yīng)輸入端

10E4PS電源模式選擇端

11，12，13F3VSS接地

14E2PIO可編程I/O端

15E1VDD電池正極輸入

16D1Vin感應(yīng)電壓輸入

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DS2762主要由內(nèi)部寄存器、累加器、傳感器、ADC等部分組成，圖1給出其內(nèi)部功能框圖。

2 硬件電路設(shè)計(jì) 

2.1 監(jiān)測(cè)保護(hù)電路

由于DS2762能夠判斷電池過(guò)壓、過(guò)放電、過(guò)流等狀態(tài)，并能通過(guò)CC，DC端輸出控制電平，只需要在外部電路中增加控制開(kāi)關(guān)MOS管進(jìn)行控制，在過(guò)壓、過(guò)放電、過(guò)流等狀態(tài)下斷掉電池輸出進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)DS2762和外部主控單元只需要一線(xiàn)制連接傳輸命令及數(shù)據(jù)，為了保證可靠數(shù)據(jù)的可靠連接，需要在數(shù)據(jù)線(xiàn)上接4.7 kΩ左右的上拉電阻。圖2給出具體電路接連關(guān)系及各個(gè)器件的電性能參數(shù)[3]。

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圖1 DS2762內(nèi)部組成框圖

在圖2中采用外部電阻Rsns進(jìn)行電流采樣，其阻值根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，一般都在mΩ級(jí)。也可以選擇其內(nèi)置的電流取樣電阻，如圖3所示。電流傳感器的輸入端IS1、IS2通過(guò)上拉電阻分別接在SNS端和VSS，其Rsns-int的阻值常溫下為25 mΩ。在采用內(nèi)置傳感器狀態(tài)下，通過(guò)在IS1，IS2外接一個(gè)電容，和內(nèi)部電阻組成一個(gè)低通濾波器。

圖2 電池監(jiān)測(cè)電路

圖3 電池監(jiān)測(cè)電路

根據(jù)圖2電路連接，當(dāng)電池電壓VCELL在VOV和VLV之間變化，充電保護(hù)輸出端CC和放電保護(hù)輸出端DC根據(jù)VCELL的變化輸出高低電平。其邏輯及時(shí)序關(guān)系如圖4所示。

2.2 主控制器及顯示

主控制根據(jù)工作狀態(tài)對(duì)DS2762進(jìn)行控制及訪問(wèn)，取得電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。根據(jù)便攜式電子設(shè)備的具體應(yīng)用情況，該主控制器可以是DSP，ARM，MCU等。文中實(shí)驗(yàn)電路中采用Atmel公司的AT89S52，帶8 KB閃速可編程可擦除制度存儲(chǔ)器(PEROM)低電壓，高性能CMOS微控制器。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中。采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示電池的各種狀態(tài)信息[5]。

圖4 保護(hù)狀態(tài)下各控制管腳輸出電平

3 軟件設(shè)計(jì)

由于DS2672芯片功能強(qiáng)大，大部分工作都是其自主完成，與主控制器之間只需要進(jìn)行相關(guān)通信即可。芯片和主控制器連接通過(guò)一線(xiàn)制接口，可以分別傳輸收發(fā)信號(hào)。DS2672芯片的寄存器主要有：電流寄存器、電流累計(jì)寄存器、電流偏置補(bǔ)償寄存器、電壓寄存器、溫度寄存器、電流累積高閾值寄存器、電流累積低閾值寄存器、溫度保護(hù)高閾值寄存器、溫度保護(hù)低閾值寄存器等。在使用過(guò)程中，主控制器嚴(yán)格按照DS2672芯片的讀/寫(xiě)時(shí)序，讀取或設(shè)置各個(gè)寄存器準(zhǔn)內(nèi)容。其主要控制命令見(jiàn)表2。

4 結(jié) 語(yǔ)

便攜式電子設(shè)備中的鋰電池在充電及使用過(guò)程中需要對(duì)充電過(guò)流、過(guò)壓以及放電短路、 過(guò)熱等情況進(jìn)行

控制及保護(hù)，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電池電壓、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)間、溫度等諸多信號(hào)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判決處理。文中提出一種基于DS2762芯片的電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)︿囯姵氐倪^(guò)壓、過(guò)流、短路等狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，配合主控制器讀取電池的實(shí)時(shí)電壓、剩余電量、溫度等數(shù)值并進(jìn)行處理。該電路性能優(yōu)良，擴(kuò)展性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備完成對(duì)電池的全面管理。

表2 主要控制命令列表

命令命令協(xié)議總線(xiàn)狀態(tài)總線(xiàn)數(shù)據(jù)

讀數(shù)據(jù)69H， XX主機(jī)RX最高可達(dá)256 B

寫(xiě)數(shù)據(jù)6CH， XX主機(jī)TX最高可達(dá)256 B

復(fù)制數(shù)據(jù)48H， XXIDLENone

重置數(shù)據(jù)B8H， XXIDLENone

鎖定6AH， XXIDLENone

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參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

謝 卓 男，1983年出生，陜西周至人，參謀。主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)及軍事通信保障。

趙朋斌 男，1982年出生，陜西周至人，工程師。主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理及電路設(shè)計(jì)。