基于ATJ2085的鋰電池檢測系統(tǒng)設(shè)計
關(guān)鍵詞:鋰離子電池；電池保護；便攜式設(shè)備；電池檢測；SOC
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[1]。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[5]。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[4]。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[6] [7]
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)?；旌闲盘柤夹g(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。
表1 功能規(guī)格表
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對應(yīng)電池電壓 |
對應(yīng)4Bit讀數(shù) |
對應(yīng)軟硬件動作 |
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0.9 |
00h |
由F/W設(shè)置，硬件reset |
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0.94 |
01h |
… |
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0.98 |
02h |
硬件產(chǎn)生中斷、軟件進入standby |
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1.02 |
03h |
… |
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1.06 |
04h |
軟件空電量顯示、（當錄音文件小于32M時終止錄音） |
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1.10 |
05h |
軟件空電量顯示、（當錄音文件大于32M時終止錄音） |
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1.22 |
08h |
… |
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1.26 |
09h |
… |
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1.30 |
0Ah |
… |
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1.34 |
0Bh |
… |
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1.38 |
0Ch |
滿電顯示 |
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1.42 |
0Dh |
… |
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1.46 |
0Eh |
… |
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1.50 |
0Fh |
… |
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
圖1 檢測電路
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[3]。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：
表2 鋰電池電壓檢測表
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2.70 |
00h |
由F/W設(shè)置，硬件reset |
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2.94 |
02h |
硬件產(chǎn)生中斷、軟件進入standby |
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3.18 |
04h |
軟件空電量顯示、（當錄音文件小于32M時終止錄音） |
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3.30 |
05h |
軟件空電量顯示、（當錄音文件大于32M時終止錄音） |
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… |
… |
對應(yīng)電量顯示 |
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… |
… |
對應(yīng)電量顯示 |
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4.14 |
0Fh |
滿電量顯示 |
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。
參考文獻：
[1] 鄧紹剛，汪艷等，鋰電池保護電路的設(shè)計[J]，電子科技2006年第l0期(總第205期)
[2] 陸安江,張正平,唐薇, 兼容USB的便攜式設(shè)備鋰電池充電電路設(shè)計[J],2007年中國儀器儀表交流論文集，2007
[3] 劉京南，電子電路基礎(chǔ)[M]，電子工業(yè)出版社，2003年7月
[4] 上海東鉅電子有限公司，現(xiàn)代鋰電保護IC 的特點和應(yīng)用[J]，電子設(shè)計應(yīng)用，2003
[5] 李凱，張斌，一種新型智能動力鋰電池組能源管理模塊[J]，微計算機信息 2006年第9-1期
[6] Actions ATJ2085 Data sheet Version 1.0, 2004
[7] Actions ATJ2085 Programming Guide, Version 2.7 ,2004
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