| 1、引言
近年來，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。鋰離子電池由于其具有高能量密度、長壽命、低自放電率、無污染等特性，迅速成為市場的主流電池產(chǎn)品。為了防止電池出現(xiàn)過充電或過放電狀態(tài)、保證電池的安全性能和避免出現(xiàn)電池特性惡化現(xiàn)象，必須在鋰離子電池組中安裝保護電路。同時要鋰電池能夠穩(wěn)定可靠的為設(shè)備提供能量，對于電池的智能檢測與監(jiān)控是必須考慮的環(huán)節(jié)。鋰電池供電是現(xiàn)代便攜式設(shè)備最合適的供電方案，但其充放電安全性不如鎳鉻電池、鎳氫電池及普通一次性干電池的傳統(tǒng)電源。如果充放電方法不對，將會導(dǎo)致鋰電池發(fā)生安全問題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監(jiān)控電路以實時監(jiān)控充放電過程。本文以珠海炬力 SOC 芯片 ATJ2085 來設(shè)計鋰電池的外圍檢測系統(tǒng)，該設(shè)計方案以微處理器作為各種功能控制的核心， 除了對鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護外， 還可有效的對鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供平衡保護、能夠?qū)崟r檢測出電池所處狀態(tài)并對鋰電池進行保護。
2、ATJ2085 的電池監(jiān)測的功能的使用
ATJ2085 為 LQFP 封裝，64 針腳，采用內(nèi)嵌式的 MCU 和 24-bit DSP 雙處理器體系結(jié)構(gòu)，分別完成針對操作事件控制和多媒體數(shù)據(jù)編 / 解碼算法的系統(tǒng)級優(yōu)化，通過數(shù)模混合信號技術(shù)，在單一硅片上集成了高精度 ADC/DAC 轉(zhuǎn)換器、USB 控制器，實時時鐘 RTC 等。支持 USB2.0（FULLSPEED），支援 MP3/WMA/WAV/WMV/ASF 等格式媒體播放；支持 MTV 電影播放；支持 JPG、GIF、BMP 圖片瀏覽。其系統(tǒng)集成度高，外圍應(yīng)用電路簡單，擁有功能完善而成熟的開發(fā)工具和環(huán)境。
在 ATJ2085 中，電池電壓從電池電壓檢測引腳 VBATPIN 輸入，VBAT 的電壓范圍小于 3.0 伏，所以無論一節(jié)堿性電池（1.5V）供電還是兩節(jié)堿性電池（3.0V）供電，在外部電池供電電壓小于 3.0 伏時外部都無需要加分壓電阻。ATJ2085 中有一個 4bit 的 ADC，它把 0.9-1.5 伏之間的電壓 16 等分為：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。當電池電壓大于 3.0 伏供電時，BATSEL 接高電平，決定了從 VBATPIN 腳輸入的電壓在比較前會被分壓。并且 A/D 變換出來的數(shù)值會每 2 秒一次被記錄在 IO PORT（D8H）.BIT［3:0］里，這樣軟件就可以讀回 IO PORT（D8H）中的值，與功能規(guī)格表（表 1）中的值作比較，來確定要顯示的電池電量及采取的動作。很明顯 ATJ2085 能在更多點上監(jiān)測電池電壓。
舉例如下：
假設(shè) VL0》VL1》VL2》VL3，電池電量顯示為 3 格
選 VL0=130V， 即 IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=0AH，
VL1=1.10V， 即 IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=05H，
VL2=0.98V， 即 IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=02H，
當 VBAT》VL0 時，電池電量顯示為滿格；
當 VL0》VBAT》VL1 時，電池電量顯示為缺 1 格；
當 VL1》VBAT》VL2 時，電池電量顯示為缺 2 格；
當 VBAT《VL2 時，電池電量顯示為缺 3 格，即空格，并閃爍。
另外，當電池的電壓低于某個電壓時（假設(shè) VL2），軟件把一些耗電大的電路關(guān)斷（利用 IO PORT 控制），如 DSP，DAC 等等。當 VBAT PIN 腳上的電壓低于 LBD PIN 腳的電壓時，ATJ2085 仍會被無條件復(fù)位。
3、電池檢測系統(tǒng)設(shè)計
3.1 電路設(shè)計
在本文中檢測電路僅僅列出鋰電池檢測電路的原理圖，該設(shè)計考慮到了鋰電池的過壓特性，于是選用 SC805 電池檢測芯片來進行硬件電路的設(shè)計。如下圖所示，電路圖一部分是對于 USB 充電和過壓的保護設(shè)計，另一部分為電池電量檢測
正如 ATJ2085 的電池監(jiān)測的功能的使用描述一樣，需要在電池兩端連接電阻 R424 和電阻 R422（理想狀態(tài)下電阻 R424 和電阻 R422 比值應(yīng)該為 1：2）來分壓。但是考慮到非理想 ADC 的量化間隔是非等寬的，這勢必導(dǎo)致 ADC 器件不能完全正確地把模擬信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進制碼，從而造成信噪比的下降；且 ADC 每個量化的二進制碼所對應(yīng)的量化間隔都不同，為了使設(shè)計的系統(tǒng)參數(shù)盡可能準確，我們需要克服微分非線性量化誤差。于是需要調(diào)整 R424 和 R422 的組值（如圖 1 所示）。
3.2 電壓檢測
ATJ2085 內(nèi)部有一個 4 Bit 非理想 ADC. 作為檢測電源電壓之用。此 4 bit ADC 可以根據(jù)固件（F/W）設(shè)定的電壓值，產(chǎn)生 LB- 和 LBNMI- 信號。對于鋰電池，由于自身特性不可能使產(chǎn)生的電壓直接可以達到 0～1.5，需要利用如下公式分壓：
將分壓后的值與鋰電池實際值進行對應(yīng)，其電壓檢測如表 2 所示：
通過硬件后可以將表 2 的值對應(yīng)到表 1 中去通過調(diào)用以下軟件流程進行處理。
3.3 軟件流程
該檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖 2 所示：
首先清 watchdog，然后通過 GPIO_A0 檢測 USB 狀態(tài)，接下來進行充電引腳 GPIO 確認并開始充電，充電時將 GPIO_A0（如檢測電路圖）寄存器的對應(yīng)位置高電平，同時利用 GPIO_B6 進行電池狀態(tài)檢測［6］［7］。當需要對 4 位 ADC 寄存器讀寫數(shù)據(jù)時，需要設(shè)置其端口值參數(shù)，通過電池狀態(tài)檢測后，最后將檢測到的電池參數(shù)通過顯示函數(shù)顯示在 LCD 上。
其初始化代碼如下：
output8（0x4e，input8（0x4e）|0x08）// 清 watchdog
output8（0xee，input8（0xee）|0x01）; // 初始化端口參數(shù)，開始充電
output8（0xf0，input8（0xf0）&0xbf）;
output8（0xf1，input8（0xf1）|0x40）;
output8（0xee，input8（0xee）& 0xfe）;
if（（input8（0x50）&0x40）！=0x40）
if（！（input8（0xee）&0x04）） // 防止充電黑屏后拔掉 USB 不開
4、結(jié)束語
通過該方法設(shè)計的鋰電池檢測系統(tǒng)不僅可以有效防止電池的過壓、過充、過放、過溫，同時可以智能監(jiān)控電池的電壓狀態(tài)；該設(shè)計方案簡單易行，穩(wěn)定可靠，對于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義和實踐價值。該方法的創(chuàng)新之處在于不管外接干電池、鋰電池還是鎳氫電池均可以用該電路設(shè)計方法對電池進行監(jiān)控。 |
