引言

近年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)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(zhǎng)壽命、低自放電率、無(wú)污染等特性，迅速成為市場(chǎng)的主流電池產(chǎn)品。為了防止電池出現(xiàn)過(guò)充電或過(guò)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(hù)電路。同時(shí)要鋰電池能夠穩(wěn)定可靠的為設(shè)備提供能量，對(duì)于電池的智能檢測(cè)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(duì)，將會(huì)導(dǎo)致鋰電池發(fā)生安全問(wèn)題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監(jiān)控電路以實(shí)時(shí)監(jiān)控充放電過(guò)程。本文以珠海炬力 SOC 芯片 ATJ2085 來(lái)設(shè)計(jì)鋰電池的外圍檢測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案以微處理器作為各種功能控制的核心， 除了對(duì)鋰離子電池組提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護(hù)外， 還可有效的對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供平衡保護(hù)、能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出電池所處狀態(tài)并對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)。

2、ATJ2085 的電池監(jiān)測(cè)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(duì)操作事件控制和多媒體數(shù)據(jù)編 / 解碼算法的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，通過(guò)數(shù)?；旌?a target="_blank">信號(hào)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(shí)時(shí)時(shí)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(jiǎn)單，擁有功能完善而成熟的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。

在 ATJ2085 中，電池電壓從電池電壓檢測(cè)引腳 VBATPIN 輸入，VBAT 的電壓范圍小于 3.0 伏，所以無(wú)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(shí)外部都無(wú)需要加分壓電阻。ATJ2085 中有一個(gè) 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(dāng)電池電壓大于 3.0 伏供電時(shí)，BATSEL 接高電平，決定了從 VBATPIN 腳輸入的電壓在比較前會(huì)被分壓。并且 A/D 變換出來(lái)的數(shù)值會(huì)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(lái)確定要顯示的電池電量及采取的動(dòng)作。很明顯 ATJ2085 能在更多點(diǎn)上監(jiān)測(cè)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=1.30V， 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(dāng) VBAT》VL0 時(shí)，電池電量顯示為滿格；

當(dāng) VL0》VBAT》VL1 時(shí)，電池電量顯示為缺 1 格；

當(dāng) VL1》VBAT》VL2 時(shí)，電池電量顯示為缺 2 格；

當(dāng) VBAT《VL2 時(shí)，電池電量顯示為缺 3 格，即空格，并閃爍。

另外，當(dāng)電池的電壓低于某個(gè)電壓時(shí)（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(dāng) VBAT PIN 腳上的電壓低于 LBD PIN 腳的電壓時(shí)，ATJ2085 仍會(huì)被無(wú)條件復(fù)位。

3、電池檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

在本文中檢測(cè)電路僅僅列出鋰電池檢測(cè)電路的原理圖，該設(shè)計(jì)考慮到了鋰電池的過(guò)壓特性，于是選用 SC805 電池檢測(cè)芯片來(lái)進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)。如下圖所示，電路圖一部分是對(duì)于 USB 充電和過(guò)壓的保護(hù)設(shè)計(jì)，另一部分為電池電量檢測(cè)

正如 ATJ2085 的電池監(jiān)測(cè)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(lái)分壓。但是考慮到非理想 ADC 的量化間隔是非等寬的，這勢(shì)必導(dǎo)致 ADC 器件不能完全正確地把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制碼，從而造成信噪比的下降；且 ADC 每個(gè)量化的二進(jìn)制碼所對(duì)應(yīng)的量化間隔都不同，為了使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)盡可能準(zhǔn)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(cè)

ATJ2085 內(nèi)部有一個(gè) 4 Bit 非理想 ADC. 作為檢測(cè)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(hào)。對(duì)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(dá)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(shí)際值進(jìn)行對(duì)應(yīng)，其電壓檢測(cè)如表 2 所示：

通過(guò)硬件后可以將表 2 的值對(duì)應(yīng)到表 1 中去通過(guò)調(diào)用以下軟件流程進(jìn)行處理。

3.3 軟件流程

該檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖 2 所示：

首先清 watchdog，然后通過(guò) GPIO_A0 檢測(cè) USB 狀態(tài)，接下來(lái)進(jìn)行充電引腳 GPIO 確認(rèn)并開(kāi)始充電，充電時(shí)將 GPIO_A0（如檢測(cè)電路圖）寄存器的對(duì)應(yīng)位置高電平，同時(shí)利用 GPIO_B6 進(jìn)行電池狀態(tài)檢測(cè)［6］［7］。當(dāng)需要對(duì) 4 位 ADC 寄存器讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要設(shè)置其端口值參數(shù)，通過(guò)電池狀態(tài)檢測(cè)后，最后將檢測(cè)到的電池參數(shù)通過(guò)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(kāi)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(kāi)

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該方法設(shè)計(jì)的鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以有效防止電池的過(guò)壓、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫，同時(shí)可以智能監(jiān)控電池的電壓狀態(tài)；該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定可靠，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)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(jì)方法對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。
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