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基于微处理器的锂电池检测系统
文章来源:永阜康科技 更新时间:2020/7/29 9:55:00
1、引言

近年来,便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性,迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象,必须在锂离子电池组中安装保护电路。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量,对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案,但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源。如果充放电方法不对,将会导致锂电池发生安全问题,甚至爆炸,故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程。本文以珠海炬力 SOC 芯片 ATJ2085 来设计锂电池的外围检测系统,该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心, 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外, 还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。


2、ATJ2085 的电池监测的功能的使用

ATJ2085 为 LQFP 封装,64 针脚,采用内嵌式的 MCU 和 24-bit DSP 双处理器体系结构,分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编 / 解码算法的系统级优化,通过数模混合信号技术,在单一硅片上集成了高精度 ADC/DAC 转换器、USB 控制器,实时时钟 RTC 等。支持 USB2.0(FULLSPEED),支援 MP3/WMA/WAV/WMV/ASF 等格式媒体播放;支持 MTV 电影播放;支持 JPG、GIF、BMP 图片浏览。其系统集成度高,外围应用电路简单,拥有功能完善而成熟的开发工具和环境。

 

在 ATJ2085 中,电池电压从电池电压检测引脚 VBATPIN 输入,VBAT 的电压范围小于 3.0 伏,所以无论一节碱性电池(1.5V)供电还是两节碱性电池(3.0V)供电,在外部电池供电电压小于 3.0 伏时外部都无需要加分压电阻。ATJ2085 中有一个 4bit 的 ADC,它把 0.9-1.5 伏之间的电压 16 等分为: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。当电池电压大于 3.0 伏供电时,BATSEL 接高电平,决定了从 VBATPIN 脚输入的电压在比较前会被分压。并且 A/D 变换出来的数值会每 2 秒一次被记录在 IO PORT(D8H).BIT[3:0]里,这样软件就可以读回 IO PORT(D8H)中的值,与功能规格表(表 1)中的值作比较,来确定要显示的电池电量及采取的动作。很明显 ATJ2085 能在更多点上监测电池电压。

 

举例如下:

假设 VL0》VL1》VL2》VL3,电池电量显示为 3 格

选 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,

当 VBAT》VL0 时,电池电量显示为满格;

当 VL0》VBAT》VL1 时,电池电量显示为缺 1 格;

当 VL1》VBAT》VL2 时,电池电量显示为缺 2 格;

当 VBAT《VL2 时,电池电量显示为缺 3 格,即空格,并闪烁。

另外,当电池的电压低于某个电压时(假设 VL2),软件把一些耗电大的电路关断(利用 IO PORT 控制),如 DSP,DAC 等等。当 VBAT PIN 脚上的电压低于 LBD PIN 脚的电压时,ATJ2085 仍会被无条件复位。

 

3、电池检测系统设计

3.1 电路设计

在本文中检测电路仅仅列出锂电池检测电路的原理图,该设计考虑到了锂电池的过压特性,于是选用 SC805 电池检测芯片来进行硬件电路的设计。如下图所示,电路图一部分是对于 USB 充电和过压的保护设计,另一部分为电池电量检测

 

 

正如 ATJ2085 的电池监测的功能的使用描述一样,需要在电池两端连接电阻 R424 和电阻 R422(理想状态下电阻 R424 和电阻 R422 比值应该为 1:2)来分压。但是考虑到非理想 ADC 的量化间隔是非等宽的,这势必导致 ADC 器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码,从而造成信噪比的下降;且 ADC 每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同,为了使设计的系统参数尽可能准确,我们需要克服微分非线性量化误差。于是需要调整 R424 和 R422 的组值(如图 1 所示)。

 

3.2 电压检测

ATJ2085 内部有一个 4 Bit 非理想 ADC. 作为检测电源电压之用。此 4 bit ADC 可以根据固件(F/W)设定的电压值,产生 LB- 和 LBNMI- 信号。对于锂电池,由于自身特性不可能使产生的电压直接可以达到 0~1.5,需要利用如下公式分压:

 

 

将分压后的值与锂电池实际值进行对应,其电压检测如表 2 所示:

 

 

通过硬件后可以将表 2 的值对应到表 1 中去通过调用以下软件流程进行处理。

 

3.3 软件流程

该检测系统软件设计流程如图 2 所示:

 

 

首先清 watchdog,然后通过 GPIO_A0 检测 USB 状态,接下来进行充电引脚 GPIO 确认并开始充电,充电时将 GPIO_A0(如检测电路图)寄存器的对应位置高电平,同时利用 GPIO_B6 进行电池状态检测[6][7]。当需要对 4 位 ADC 寄存器读写数据时,需要设置其端口值参数,通过电池状态检测后,最后将检测到的电池参数通过显示函数显示在 LCD 上。

其初始化代码如下:

output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)// 清 watchdog

output8(0xee,input8(0xee)|0x01); // 初始化端口参数,开始充电

output8(0xf0,input8(0xf0)&0xbf);

output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40);

output8(0xee,input8(0xee)& 0xfe);

if((input8(0x50)&0x40)!=0x40)

if(!(input8(0xee)&0x04)) // 防止充电黑屏后拔掉 USB 不开

4、结束语

通过该方法设计的锂电池检测系统不仅可以有效防止电池的过压、过充、过放、过温,同时可以智能监控电池的电压状态;该设计方案简单易行,稳定可靠,对于嵌入式系统的设计与研发具有一定的指导意义和实践价值。该方法的创新之处在于不管外接干电池、锂电池还是镍氢电池均可以用该电路设计方法对电池进行监控。

 
 
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