基于SMBus的智能電池系統(tǒng)
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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，給出了一個應用實例。
關鍵詞: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)使電池的設計者不得不考慮在產(chǎn)品設計方面做顯著的變化。這包括;使用低壓器件，關掉未在使用的子系統(tǒng)，對應用程序進行管理，發(fā)展智能電池和電池管理系統(tǒng)等。
新的智能電池的設計需要各種不同甚至相反的領域的知識，在某些應用中甚至是全新領域的知識。這些領域包括關于電池運行的電池化學知識；關于系統(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備的設計知識。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)器達到主機設定值時，中斷主CPU，來完成主機設定得功能。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。 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。 u RST，上電復位輸出，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
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位名稱 |
位 |
上電復位狀態(tài) |
說明 |
|
—— |
8--15 |
1 |
未使用通常返回1。 |
|
ODSTATUS |
7 |
0 |
過流中斷狀態(tài)位，當放電過流時，此位置位。當軟關斷、上電復位或控制字CLRINT位置位時，此位清零。 |
|
OCSTATUS |
6 |
0 |
過流中斷狀態(tài)位，當充電過流時，此位置位。當軟關斷、上電復位或控制字CLRINT位置位時，此位清零。 |
|
COMPSTATUS |
5 |
0 |
COMPINT中斷狀態(tài)位，當COMPINT中斷發(fā)生時，此位置位。當軟關斷、上電復位或控制字CLRINT位置位時，此位清零。 |
|
COUNTSTATUS |
4 |
— |
SETCOUNT狀態(tài)指示位，當控制字SETCOUNT置位時此位置位。當SETCOUNT位清零時，此位清零。 |
|
SHDNSTATUS |
3 |
0 |
軟關斷狀態(tài)指示位，當器件處于軟關斷模式時返回1，否則返回0 |
|
CHARGESTATUS |
2 |
0 |
充電狀態(tài)指示位，充電狀態(tài)檢測時此位置位，放電狀態(tài)檢測時此位清零。 |
|
DIRCHANGE |
1 |
0 |
當電流方向發(fā)生變化時，此位置位。當軟關斷、上電復位或控制字CLRINT位置位時，此位清零。祥見參考文獻1的電流變化檢測部分。 |
|
—— |
0 |
0 |
未使用通常返回1。 |
表2
|
位名稱 |
位 |
上電復位狀態(tài) |
說明 |
|
—— |
11--15 |
1 |
未使用。 |
|
DIRINTENABLE |
10 |
0 |
電流方向變化允許位。此位置位允許方向變化中斷發(fā)生，清零則禁止此功。祥見Direction-Change Detection Function section。 |
|
SOFTSHDN |
9 |
1 |
軟關斷允許位，此位置位允許軟關斷，清零恢復正常操作。祥見參考文獻1的Shutdown Modes section。 |
|
CLRCOUNTER |
8 |
1 |
清計數(shù)器，寫1將放電計數(shù)器和充電計數(shù)器全都清零。 |
|
CLRINT |
7 |
0 |
清中斷，寫1使ODSTATUS, OCSTATUS, COMPSTATUS, 和DIRCHANGE.清零 |
|
SETCOUNT |
6 |
0 |
計數(shù)器選擇位，用來選擇將哪個計數(shù)器的值傳輸?shù)紺OUNT寄存器，置1選擇充電計數(shù)器，清零則選者放電計數(shù)器。祥見文獻1的Charge and Discharge Counters section。 |
|
OFFSETMEAS |
5 |
0 |
偏移量測量允許位，置位時使CS端與內(nèi)部電路斷開，短接到AGEND。清零時CS端重新接到內(nèi)部電路，恢復正常操作。參看文獻1的internal Offset Measurementsection。 |
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COMPENABLE |
4 |
— |
比較中斷允許位。置1允許數(shù)字比較中斷功能，清零則禁止此功能。參見文獻Digital Compare Function section. |
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ODHI |
3 |
0 |
ODO兩位輸出狀態(tài)控制位的第一位，參見文獻1的Overcurrent Detection section。 |
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ODLO |
2 |
0 |
ODO兩位輸出狀態(tài)控制位的第二位。為保證恰當?shù)倪^流保護狀態(tài)ODLO應該總是保持為零。參見文獻1的Overcurrent Detection section。 |
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OCHI |
1 |
0 |
OCO兩位輸出狀態(tài)控制位的第一位，參見參考文獻1的Overcurrent Detection section. |
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OCLO |
0 |
0 |
OCO兩位輸出狀態(tài)控制位的第一位。為保證恰當?shù)倪^流保護狀態(tài)OLO應該總是保持為零。參見文獻1的Overcurrent Detectionsection. |
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定設定：
設定最大充電電流值：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．應用MAX1660設計電量指示監(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，程序設定一個電量值，每當電量計數(shù)器達到設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)值與電量的關系與敏感元件微電阻有關，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)送應答、發(fā)送非應答、應答位檢查、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閉。然后對各種中斷作相應處理。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亮時表示充電已到該位，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
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