基于SMBus的智能電池系統(tǒng)

作者Email:  ramrod@sina.com.cn

    摘要:  本文概要地介紹了智能電池系統(tǒng)，并介紹了一種典型芯片——Max1660的電量計數(shù)及電池保護等功能，給出了一個應(yīng)用實例。

    關(guān)鍵詞:智能電池  電量計數(shù) SMBus Max1660

    現(xiàn)代社會對產(chǎn)品壽命需求和對產(chǎn)品的性能和功能的要求迅速提高。最新的掌上電腦要求把最多的功能壓到最少的空間中去，這就驅(qū)使電池的設(shè)計者不得不考慮在產(chǎn)品設(shè)計方面做顯著的變化。這包括;使用低壓器件，關(guān)掉未在使用的子系統(tǒng)，對應(yīng)用程序進行管理，發(fā)展智能電池和電池管理系統(tǒng)等。

    新的智能電池的設(shè)計需要各種不同甚至相反的領(lǐng)域的知識，在某些應(yīng)用中甚至是全新領(lǐng)域的知識。這些領(lǐng)域包括關(guān)于電池運行的電池化學(xué)知識；關(guān)于系統(tǒng)各零件相互作用的系統(tǒng)工程知識和使用者怎樣操作一個特殊設(shè)備的設(shè)計知識。因此，一個規(guī)范或者說一個標準將必不可少，它可以簡化設(shè)計，提高系統(tǒng)的可移植性。

     智能電池規(guī)范

     電池的智能化是最近才發(fā)展起來的，這就使得智能電池的實現(xiàn)方案多種多樣。因而，一些標準開始出現(xiàn)。這些標準一般是由便攜電腦制造商推動的。但在一些單電池系統(tǒng)中，例如在蜂窩式移動電話系統(tǒng)中，成本問題限制了電池系統(tǒng)一些操作，使智能電池標準的發(fā)展復(fù)雜化了。

    一線接口 電池包與系統(tǒng)的通訊是一個很重要的需要考慮的因素。這個接口要有盡可能少的信號線以減少電池包的連線數(shù)。因而，許多單電池系統(tǒng)采用一線接口（1-wire）,例如，蜂窩移動電話。在1-wire接口中，0或1取決于信號線上0的有效周期。這種類型的接口提供了一個異步連接。當前有三種不同的一線接口(1-Wire)，它們之間只有輕微的差別。由于其內(nèi)在特點，一線接口的傳輸速率很慢。在低成本系統(tǒng)中，這樣的速率是可接受的，因為只有極少的信息需要傳遞給主機。但在多電池系統(tǒng)中，就有更多的信息需要傳遞給主機，這是就要求有更快的接口速度了。
SMBus接口 1996年，Intel（聯(lián)合其它公司）推出了一個由PC-I2C變異而來的系統(tǒng)管理總線(SMBus)。它與I2C總線一樣有兩根通訊線，但是加入了低電平選擇并且對器件對總線的控制實踐做了嚴格規(guī)定。作為系統(tǒng)管理總線(SMBus)發(fā)展的一部分，Intel與其合作伙伴創(chuàng)建了智能電池標準。這個規(guī)范在SMBus接口頂層增加了一個協(xié)議，定義了一系列的命令以用于電池包、電池充電器、電池選擇器和主機之間的通訊。而這些命令和協(xié)議并非必需的，可以選用。

    基于MAX1660的智能電池應(yīng)用實例：

    MAX1660 是美信公司生產(chǎn)的一種能夠精確測量流入充電和流出放電系統(tǒng)電池組的電量計數(shù)芯片，它能將電池電量存入內(nèi)部兩個獨立的32 位充電和放電計數(shù)器。它通過強大的數(shù)字比較功能，判斷當充電或放電計數(shù)器達到主機設(shè)定值時，中斷主CPU，來完成主機設(shè)定得功能。該器件也可以在電流方向發(fā)生變化時通知主機，并具備保護電池組短路及過流的功能。MAX1660 提供一個兼容于SMBUSTM系統(tǒng)管理總線的二線串行接口來訪問充電放電量計數(shù)器和內(nèi)部寄存器，同時也能夠給主機提供一條可用作中斷信號的系統(tǒng)管理總線報警線SMBALERT。

    1. MAX1660 的引腳及功能

    MAX1660 的引腳排列如圖1 主要引腳功能如下：

u INT，中斷信號漏極開路輸出，低電平有效，INT接上拉電阻100k至VL引腳。
u REF，2.00V 精密電壓基準輸出，REF對AGND 接10nF旁路電容。
u SHDN，關(guān)斷控制輸入，低電平有效。
u CS，電流檢測電阻輸入。
u ODI，放電過流檢測輸入。
u OCI，充電過流檢測輸入。
u VL，3.3V 5mA線性電壓輸出VL對GND接0.33mF旁路電容。
u BATT，電源輸入。
u ODO，高壓漏極開路MOSFET柵極驅(qū)動輸出，ODO控制電池放電信道的開/關(guān)。
u OCO，高壓漏極開路MOSFET柵極驅(qū)動輸出，OCO控制電池充電信道的開/關(guān)。
u RST，上電復(fù)位輸出，低電平有效RST接上拉電阻100k至VL引腳。
u SDA，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，在SDA和VL 之間接10k電阻。
u SCL，串行時鐘輸入，在SCL和VL之間接10k電阻。

    2.MAX1660的控制、狀態(tài)與讀寫時序

    MAX1660有一個16位的狀態(tài)字和一個16位的控制字，主機可通過讀狀態(tài)字來判斷電池狀態(tài)，寫控制字來控制電池系統(tǒng)。其狀態(tài)字的定義如表1，控制字定義為如表2

表1

表2

    其讀寫時序見參考文獻1，傳輸時以字節(jié)為單位。每次傳輸時首字節(jié)為SLVEADDRESS——即從器件地址。對于不同種類的SMBus器件，該地址是固定的，在出廠時就已經(jīng)固化到器件中。但也有一些器件可以通過地址端的不同接法選擇該地址。MAX1660的SLAVEADDRESS是1000111,最后一位空出，用來選擇讀或?qū)憽Ｆ渲校盀樽x出，１為寫入。第二個字節(jié)為命令字，從第三個字節(jié)開始是要讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。

　　命令字可分為兩種：一為讀命令，包括讀計數(shù)寄存器和讀狀態(tài)字；一為寫命令，包括寫比較寄存器和寫控制字。計數(shù)寄存器需要分兩次讀出，命令字為：0x82（低１６位）、0x83（高１６位）；比較寄存器也要分兩次寫入，其命令字分別為：0x00（低１６位），0x01（高１６位）；讀狀態(tài)字和寫控制字的命令字分別為：0x84和0x04。需要注意的是：在讀計數(shù)器時，當前供電狀態(tài)決定了計數(shù)器中的數(shù)值是充電還是放電計數(shù)值。而且，更為重要的一點：在讀計數(shù)器時兩個命令必須連續(xù)執(zhí)行且必須先讀低位后讀高位，如果中間夾有其他命令或順序顛倒，在執(zhí)行這個命令時Max1660就會當作讀高１６位的命令已執(zhí)行而將計數(shù)器清零。

    3. MAX1660的最大充電和放電電流

    MAX1660本身不能控制電池充電電流，只能控制最大充電電流值和最放電電流值。它可以通過以下方法設(shè)定設(shè)定：      

   設(shè)定最大充電電流值：如圖所示,            

式中 ICHG,MAX即是最大充電電流值 VREF=2.0V。R5選擇1MΩ左右的電阻。

1) 設(shè)定最大放電電流值：如圖所示，

式中IDISCHG,MAX 為最大放電電流值，R3選擇1MΩ左右的電阻。

    4．應(yīng)用MAX1660設(shè)計電量指示監(jiān)控充電電路

    本電路是作為一個便攜式嵌入系統(tǒng)的附屬電源模塊設(shè)計的,由于系統(tǒng)成本限制，采用用了鎳氫電池。Mam1660即可監(jiān)控鋰電池又可監(jiān)控鎳基電池，而其他類電池監(jiān)控芯片大所為鋰電池監(jiān)控芯片，因此本系統(tǒng)采用Max1660來搭建系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用查詢機制，其程序框圖如圖5。

   系統(tǒng)力求精簡，用51單片機控制。單片機通過SDA、SCA、INT三根線與MAX1660通訊線用于對發(fā)出中斷信號，SCA、SDA分別為的時鐘線和數(shù)據(jù)線。利用max1660的數(shù)字比較功能，程序設(shè)定一個電量值，每當電量計數(shù)器達到設(shè)定值時即對單片機發(fā)出中斷，從而把單片機解放出來。計數(shù)值與電量的關(guān)系與敏感元件微電阻有關(guān)，微電阻越小則可測電流越小，但電流分辨率也越小，反之則可測電流值受限，而電流分辨率增大。

    系統(tǒng)主要包括兩部分：首先是通訊部分，主要是SMBus總線的驅(qū)動程序。這里參考了文獻２中的I2C總線驅(qū)動程序，按照系統(tǒng)需求作了局部改動。程序包括啟動、停止、發(fā)送應(yīng)答、發(fā)送非應(yīng)答、應(yīng)答位檢查、發(fā)送和接收等共9個函數(shù)。最后組成兩個函數(shù)：SMBusReadWord和SMBusWriteWord。通過這兩個函數(shù)即可實現(xiàn)SMBus總線的全部讀寫操作，實現(xiàn)對任何SMBus總線器件的控制。這兩個函數(shù)的參數(shù)依次為：器件地址，命令字，讀/寫內(nèi)容。

    其次為主程序部分。如圖5所示，當中斷條件滿足時，由max1660向單片機發(fā)出中斷請求，單片機則讀取max1660的狀態(tài)字判斷為何種中斷，各狀態(tài)字的定義如表1，部分中斷功能可通過控制字關(guān)閉。然后對各種中斷作相應(yīng)處理。其中當前的供電方式可通過CHARGESTATUS讀出。該位為1時為充電狀態(tài)，為0時為放電狀態(tài)。

    文獻1提供了一個簡單的系統(tǒng)硬件原理圖，只需在這個原理圖上作簡單的拓展即可使用。限于篇幅，無法將本系統(tǒng)的原理圖詳細列出，這里只作簡單介紹：Max1660本身帶有3.3V電源輸出，但由于這里使用了51單片機必須采用5V電源，因此這一電源沒有使用，而是在pack+和pack-之間接入7805來得到5伏的電源，而在用于整個系統(tǒng)時，其電源也應(yīng)從這兩端輸出。

    電量的顯示最好通過LCD,調(diào)試階段用LED較好，比較直觀，同時易于排除問題。本系統(tǒng)在調(diào)試階段用P1口輸出電量狀態(tài)指示，LED亮?xí)r表示充電已到該位，各燈逐次點亮，充滿時全亮，放電時正相反。

    結(jié)束語

    本文介紹的基于SMBus的智能電池檢測系統(tǒng)既可用于鋰電池，也可用于鎳基電池，對電池的要求較低，系統(tǒng)作為便攜式儀器的電源解決方案在實際應(yīng)用中已得到驗證。系統(tǒng)運行可靠，功能強大顯示直觀，能夠與其他功能協(xié)調(diào)工作。隨著各種便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電池的智能化已成為一種必不可少的功能。因此本文所介紹的智能電池系統(tǒng)具有較強的實用性。

作者Email:  ramrod@sina.com.cn

    摘要:  本文概要地介紹了智能電池系統(tǒng)，并介紹了一種典型芯片——Max1660的電量計數(shù)及電池保護等功能，給出了一個應(yīng)用實例。

    關(guān)鍵詞:智能電池  電量計數(shù) SMBus Max1660

    現(xiàn)代社會對產(chǎn)品壽命需求和對產(chǎn)品的性能和功能的要求迅速提高。最新的掌上電腦要求把最多的功能壓到最少的空間中去，這就驅(qū)使電池的設(shè)計者不得不考慮在產(chǎn)品設(shè)計方面做顯著的變化。這包括;使用低壓器件，關(guān)掉未在使用的子系統(tǒng)，對應(yīng)用程序進行管理，發(fā)展智能電池和電池管理系統(tǒng)等。

    新的智能電池的設(shè)計需要各種不同甚至相反的領(lǐng)域的知識，在某些應(yīng)用中甚至是全新領(lǐng)域的知識。這些領(lǐng)域包括關(guān)于電池運行的電池化學(xué)知識；關(guān)于系統(tǒng)各零件相互作用的系統(tǒng)工程知識和使用者怎樣操作一個特殊設(shè)備的設(shè)計知識。因此，一個規(guī)范或者說一個標準將必不可少，它可以簡化設(shè)計，提高系統(tǒng)的可移植性。

     智能電池規(guī)范

     電池的智能化是最近才發(fā)展起來的，這就使得智能電池的實現(xiàn)方案多種多樣。因而，一些標準開始出現(xiàn)。這些標準一般是由便攜電腦制造商推動的。但在一些單電池系統(tǒng)中，例如在蜂窩式移動電話系統(tǒng)中，成本問題限制了電池系統(tǒng)一些操作，使智能電池標準的發(fā)展復(fù)雜化了。

    一線接口 電池包與系統(tǒng)的通訊是一個很重要的需要考慮的因素。這個接口要有盡可能少的信號線以減少電池包的連線數(shù)。因而，許多單電池系統(tǒng)采用一線接口（1-wire）,例如，蜂窩移動電話。在1-wire接口中，0或1取決于信號線上0的有效周期。這種類型的接口提供了一個異步連接。當前有三種不同的一線接口(1-Wire)，它們之間只有輕微的差別。由于其內(nèi)在特點，一線接口的傳輸速率很慢。在低成本系統(tǒng)中，這樣的速率是可接受的，因為只有極少的信息需要傳遞給主機。但在多電池系統(tǒng)中，就有更多的信息需要傳遞給主機，這是就要求有更快的接口速度了。
SMBus接口 1996年，Intel（聯(lián)合其它公司）推出了一個由PC-I2C變異而來的系統(tǒng)管理總線(SMBus)。它與I2C總線一樣有兩根通訊線，但是加入了低電平選擇并且對器件對總線的控制實踐做了嚴格規(guī)定。作為系統(tǒng)管理總線(SMBus)發(fā)展的一部分，Intel與其合作伙伴創(chuàng)建了智能電池標準。這個規(guī)范在SMBus接口頂層增加了一個協(xié)議，定義了一系列的命令以用于電池包、電池充電器、電池選擇器和主機之間的通訊。而這些命令和協(xié)議并非必需的，可以選用。

    基于MAX1660的智能電池應(yīng)用實例：

    MAX1660 是美信公司生產(chǎn)的一種能夠精確測量流入充電和流出放電系統(tǒng)電池組的電量計數(shù)芯片，它能將電池電量存入內(nèi)部兩個獨立的32 位充電和放電計數(shù)器。它通過強大的數(shù)字比較功能，判斷當充電或放電計數(shù)器達到主機設(shè)定值時，中斷主CPU，來完成主機設(shè)定得功能。該器件也可以在電流方向發(fā)生變化時通知主機，并具備保護電池組短路及過流的功能。MAX1660 提供一個兼容于SMBUSTM系統(tǒng)管理總線的二線串行接口來訪問充電放電量計數(shù)器和內(nèi)部寄存器，同時也能夠給主機提供一條可用作中斷信號的系統(tǒng)管理總線報警線SMBALERT。

    1. MAX1660 的引腳及功能

    MAX1660 的引腳排列如圖1 主要引腳功能如下：

u INT，中斷信號漏極開路輸出，低電平有效，INT接上拉電阻100k至VL引腳。
u REF，2.00V 精密電壓基準輸出，REF對AGND 接10nF旁路電容。
u SHDN，關(guān)斷控制輸入，低電平有效。
u CS，電流檢測電阻輸入。
u ODI，放電過流檢測輸入。
u OCI，充電過流檢測輸入。
u VL，3.3V 5mA線性電壓輸出VL對GND接0.33mF旁路電容。
u BATT，電源輸入。
u ODO，高壓漏極開路MOSFET柵極驅(qū)動輸出，ODO控制電池放電信道的開/關(guān)。
u OCO，高壓漏極開路MOSFET柵極驅(qū)動輸出，OCO控制電池充電信道的開/關(guān)。
u RST，上電復(fù)位輸出，低電平有效RST接上拉電阻100k至VL引腳。
u SDA，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，在SDA和VL 之間接10k電阻。
u SCL，串行時鐘輸入，在SCL和VL之間接10k電阻。

    2.MAX1660的控制、狀態(tài)與讀寫時序

    MAX1660有一個16位的狀態(tài)字和一個16位的控制字，主機可通過讀狀態(tài)字來判斷電池狀態(tài)，寫控制字來控制電池系統(tǒng)。其狀態(tài)字的定義如表1，控制字定義為如表2

表1

表2

    其讀寫時序見參考文獻1，傳輸時以字節(jié)為單位。每次傳輸時首字節(jié)為SLVEADDRESS——即從器件地址。對于不同種類的SMBus器件，該地址是固定的，在出廠時就已經(jīng)固化到器件中。但也有一些器件可以通過地址端的不同接法選擇該地址。MAX1660的SLAVEADDRESS是1000111,最后一位空出，用來選擇讀或?qū)?。其中０為讀出，１為寫入。第二個字節(jié)為命令字，從第三個字節(jié)開始是要讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。

　　命令字可分為兩種：一為讀命令，包括讀計數(shù)寄存器和讀狀態(tài)字；一為寫命令，包括寫比較寄存器和寫控制字。計數(shù)寄存器需要分兩次讀出，命令字為：0x82（低１６位）、0x83（高１６位）；比較寄存器也要分兩次寫入，其命令字分別為：0x00（低１６位），0x01（高１６位）；讀狀態(tài)字和寫控制字的命令字分別為：0x84和0x04。需要注意的是：在讀計數(shù)器時，當前供電狀態(tài)決定了計數(shù)器中的數(shù)值是充電還是放電計數(shù)值。而且，更為重要的一點：在讀計數(shù)器時兩個命令必須連續(xù)執(zhí)行且必須先讀低位后讀高位，如果中間夾有其他命令或順序顛倒，在執(zhí)行這個命令時Max1660就會當作讀高１６位的命令已執(zhí)行而將計數(shù)器清零。

    3. MAX1660的最大充電和放電電流

    MAX1660本身不能控制電池充電電流，只能控制最大充電電流值和最放電電流值。它可以通過以下方法設(shè)定設(shè)定：      

   設(shè)定最大充電電流值：如圖所示,            

式中 ICHG,MAX即是最大充電電流值 VREF=2.0V。R5選擇1MΩ左右的電阻。

1) 設(shè)定最大放電電流值：如圖所示，

式中IDISCHG,MAX 為最大放電電流值，R3選擇1MΩ左右的電阻。

    4．應(yīng)用MAX1660設(shè)計電量指示監(jiān)控充電電路

    本電路是作為一個便攜式嵌入系統(tǒng)的附屬電源模塊設(shè)計的,由于系統(tǒng)成本限制，采用用了鎳氫電池。Mam1660即可監(jiān)控鋰電池又可監(jiān)控鎳基電池，而其他類電池監(jiān)控芯片大所為鋰電池監(jiān)控芯片，因此本系統(tǒng)采用Max1660來搭建系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用查詢機制，其程序框圖如圖5。

   系統(tǒng)力求精簡，用51單片機控制。單片機通過SDA、SCA、INT三根線與MAX1660通訊線用于對發(fā)出中斷信號，SCA、SDA分別為的時鐘線和數(shù)據(jù)線。利用max1660的數(shù)字比較功能，程序設(shè)定一個電量值，每當電量計數(shù)器達到設(shè)定值時即對單片機發(fā)出中斷，從而把單片機解放出來。計數(shù)值與電量的關(guān)系與敏感元件微電阻有關(guān)，微電阻越小則可測電流越小，但電流分辨率也越小，反之則可測電流值受限，而電流分辨率增大。

    系統(tǒng)主要包括兩部分：首先是通訊部分，主要是SMBus總線的驅(qū)動程序。這里參考了文獻２中的I2C總線驅(qū)動程序，按照系統(tǒng)需求作了局部改動。程序包括啟動、停止、發(fā)送應(yīng)答、發(fā)送非應(yīng)答、應(yīng)答位檢查、發(fā)送和接收等共9個函數(shù)。最后組成兩個函數(shù)：SMBusReadWord和SMBusWriteWord。通過這兩個函數(shù)即可實現(xiàn)SMBus總線的全部讀寫操作，實現(xiàn)對任何SMBus總線器件的控制。這兩個函數(shù)的參數(shù)依次為：器件地址，命令字，讀/寫內(nèi)容。

    其次為主程序部分。如圖5所示，當中斷條件滿足時，由max1660向單片機發(fā)出中斷請求，單片機則讀取max1660的狀態(tài)字判斷為何種中斷，各狀態(tài)字的定義如表1，部分中斷功能可通過控制字關(guān)閉。然后對各種中斷作相應(yīng)處理。其中當前的供電方式可通過CHARGESTATUS讀出。該位為1時為充電狀態(tài)，為0時為放電狀態(tài)。

    文獻1提供了一個簡單的系統(tǒng)硬件原理圖，只需在這個原理圖上作簡單的拓展即可使用。限于篇幅，無法將本系統(tǒng)的原理圖詳細列出，這里只作簡單介紹：Max1660本身帶有3.3V電源輸出，但由于這里使用了51單片機必須采用5V電源，因此這一電源沒有使用，而是在pack+和pack-之間接入7805來得到5伏的電源，而在用于整個系統(tǒng)時，其電源也應(yīng)從這兩端輸出。

    電量的顯示最好通過LCD,調(diào)試階段用LED較好，比較直觀，同時易于排除問題。本系統(tǒng)在調(diào)試階段用P1口輸出電量狀態(tài)指示，LED亮?xí)r表示充電已到該位，各燈逐次點亮，充滿時全亮，放電時正相反。

    結(jié)束語

    本文介紹的基于SMBus的智能電池檢測系統(tǒng)既可用于鋰電池，也可用于鎳基電池，對電池的要求較低，系統(tǒng)作為便攜式儀器的電源解決方案在實際應(yīng)用中已得到驗證。系統(tǒng)運行可靠，功能強大顯示直觀，能夠與其他功能協(xié)調(diào)工作。隨著各種便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電池的智能化已成為一種必不可少的功能。因此本文所介紹的智能電池系統(tǒng)具有較強的實用性。