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一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)方法

   2012年04月28日 16:57  
  摘要:本文提出一種基于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^壓、過流、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)用于各類電子設(shè)備完成對(duì)電池的全面管理。
  
  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。
  
  目前便攜式電子沒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,包括鋰離子電池、鋰聚合物電池等。該類電池?zé)o記憶效應(yīng),可重復(fù)充電次數(shù)多,使用壽命較長,具有較高的能量/質(zhì)量比和能量/體積比。同時(shí)該類電池不足在于在充電及使用過程中要求比較苛刻,充電過流、過壓以及放電短路、過熱等情況都會(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,在電池放電過程中,電池電壓與剩余電量、工作時(shí)間之間并不是線性關(guān)系,所以不能簡單地采用電壓采樣、函數(shù)計(jì)算剩余電量。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,提供給單片機(jī)作相應(yīng)處理。它的主要特性有:
  
 ?。?)提供Li+電池安全電路,包括過壓保護(hù)、過流/短路保護(hù)、欠壓保護(hù)。
  
 ?。?)累積電流或溫度超過用戶設(shè)置的門*,向主機(jī)發(fā)出警示信號(hào)。
  
 ?。?)電流檢測(cè)可使用內(nèi)置25mΩ檢流電阻或外部用戶可選檢流電阻。
  
 ?。?)電流測(cè)量。12位雙向測(cè)量。
  
  內(nèi)部檢流電阻:0.625mALSB和±1.9A動(dòng)態(tài)范圍;
  
  外部檢流電阻:15.625μVLSB和±64mV動(dòng)態(tài)范圍。
  
 ?。?)電流累計(jì)。內(nèi)部檢流電阻:0.25mAhrLSB;
  
  外部檢流電阻:6.25μVhrLSB。
  
  (6)電壓測(cè)量分辨率為4.88mV。
  
 ?。?)使用集成傳感器測(cè)量溫度,分辨率為0.125℃。
  
 ?。?)支持系統(tǒng)電源管理和控制功能。
  
 ?。?)32B可鎖定E2PROM,16B通用SRAM。
  
 ?。?0)Dallas1-Wire接口,具有惟一的64位器件地址。
  
 ?。?1)低功耗。工作電流:典型為60μA,zui大90μA;休眠電流:典型為1μA,zui大為2μA。
  
  該芯片采用TSSOP封裝,其管腳分配及定義如表1所示。
  
  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能夠判斷電池過壓、過放電、過流等狀態(tài),并能通過CC,DC端輸出控制電平,只需要在外部電路中增加控制開關(guān)MOS管進(jìn)行控制,在過壓、過放電、過流等狀態(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)線上接4.7kΩ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)。
  
  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通過上拉電阻分別接在SNS端和VSS,其Rsns-int的阻值常溫下為25mΩ。在采用內(nèi)置傳感器狀態(tài)下,通過在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。
  
  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,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8KB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。
  
  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一線制接口,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。在使用過程中,主控制器嚴(yán)格按照DS2672芯片的讀/寫時(shí)序,讀取或設(shè)置各個(gè)寄存器準(zhǔn)內(nèi)容。其主要控制命令見表2。
  
  4、結(jié)語
  
  便攜式電子沒備中的鋰電池在充電及使用過程中需要對(duì)充電過流、過壓以及放電短路、過熱等情況進(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^壓、過流、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)用于各類電子設(shè)備完成對(duì)電池的全面管理。

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