一種鋰電池電量監(jiān)測電路設(shè)計方法

摘要：針對常見鋰電池過壓過流保護(hù)、電池電量監(jiān)測問題，提出一種實用的解決方案，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鋰電池的監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)線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)用于各類電子設(shè)備，完成對電池的全面監(jiān)控和管理。
關(guān)鍵詞：鋰電池；狀態(tài)監(jiān)測；安全保護(hù)；剩余電量估計

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)時間逐漸成為限制其發(fā)展的一項瓶頸技術(shù)。延長設(shè)備工作時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。同時為了提高電池的使用率及全面掌握電池的狀態(tài)，需要實時監(jiān)測電池的電池電壓、剩余電量、估計供電時間、溫度等諸多信號，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)計算剩余電量。針對該要求，設(shè)計了一種基于芯片的鋰電池監(jiān)測及保護(hù)電路，同時配合主控制器(MCU)完成對鋰電池的可靠管理及有效保護(hù)，實際使用及測試表明該設(shè)計合理可行。

1 DS2762芯片介紹
    DS2762是MAXIM公司推出一款集數(shù)據(jù)采集、信息存儲和安全保護(hù)于一體的高精度Li+電池監(jiān)視器，專為對成本敏感的電池組應(yīng)用設(shè)計。這款低功耗器件集成了精確的溫度、電壓、和電流測量，非易失(NV)數(shù)據(jù)存儲，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。對于剩余容量估計、安全監(jiān)視和電池特性數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用來講，采用DS2762進(jìn)行電池監(jiān)測是比較合適的方案。該芯片可以實時監(jiān)測電池的電壓、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)儲存起來，提供給單片機(jī)作相應(yīng)處理。它的主要特性有：
    (1)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)。
    (2)累積電流或溫度超過用戶設(shè)置的門限時，向主機(jī)發(fā)出警示信號。
    (3)電流檢測可使用內(nèi)置25 mΩ檢流電阻或外部用戶可選檢流電阻。
    (4)電流測量。12位雙向測量。
    內(nèi)部檢流電阻：0．625 mA LSB和±1．9 A動態(tài)范圍；
    外部檢流電阻：15．625μV LSB和±64 mV動態(tài)范圍。
    (5)電流累計。內(nèi)部檢流電阻：0．25 mAhr LSB；
    外部檢流電阻：6．25μVhr LSB。
    (6)電壓測量分辨率為4．88 mV。
    (7)使用集成傳感器測量溫度，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，16B通用SRAM。
    (10)Dallas 1-Wire接口，具有惟一的64位器件地址。
    (11)低功耗。工作電流：典型為60μA，最大90μA；休眠電流：典型為1μA，最大為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。

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2 硬件電路設(shè)計
2．1 監(jiān)測保護(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4．7 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)實際需要進(jìn)行選擇，一般都在mΩ級。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25 mΩ。在采用內(nèi)置傳感器狀態(tài)下，通過在IS1，IS2外接一個電容，和內(nèi)部電阻組成一個低通濾波器。
    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DS2762進(jìn)行控制及訪問，取得電池狀態(tài)的實時信息。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。文中實驗電路中采用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和閃速存儲器組合在單個芯片中。采用單片機(jī)直接驅(qū)動LED顯示屏，實時顯示電池的各種狀態(tài)信息。

3 軟件設(shè)計
    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。DS2672芯片的寄存器主要有：電流寄存器、電流累計寄存器、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／寫時序，讀取或設(shè)置各個寄存器準(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)，同時需要實時監(jiān)測電池的電池電壓、剩余電量、估計供電時間、溫度等諸多信號，根據(jù)監(jiān)測結(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)測電路設(shè)計方法，能夠?qū)?strong>鋰電池的過壓、過流、短路等狀態(tài)進(jìn)行自動保護(hù)，配合主控制器讀取電池的實時電壓、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)備完成對電池的全面管理。