|
1 引言 鋰離子電池具有體積小、重量輕與能量密度高等優(yōu)點，在GSM／CDMA和高端便攜式產品、通信終端等電子產品中應用廣泛。由于鋰離子電池的特點，其保護電路是不可缺少的。目前市場上鋰離子電池保護電路有很多類型，但大多功能不完善，僅有過充、過放、過流保護，沒有過熱保護和程序控制、監(jiān)測功能，然而在放電電流較大時電池有過熱的可能。如果沒有過熱保護，將會嚴重影響鋰電池的使用，而且保護電路具有可程序監(jiān)測、控制的功能也是很有必要的。Dallas公司推出的鋰離子保護器件DS2720不僅具有過熱保護功能，還帶有獨特的1-Wire接口，可用于程序監(jiān)測、控制器件的工作，具有智能化特性，使用可靠。 2 DS2720功能和主要特點 DS2720是一款單節(jié)可充電鋰電池保護器件，通過控制外部開關器件切斷充電和放電通路，從而實現對鋰離子電池的保護。該器件可以對單鋰離子或鋰聚合物電池進行有效安全保護，使電池免受過量充電、過量消耗、過高放電電流以及過高溫度的損害。 DS2720的主要特點如下： 當芯片溫度超過過熱基準時進行過熱保護。 8字節(jié)可鎖定EEPROM，用于存儲電池信息。 采用9 V電荷泵為外部N溝道保護MOSFET提供高側驅動，與常見的使用相同FET的低側保護電路相比具有更低的導通電阻。 具有Dallas 1-Wire數字通信接口和唯一的64位ID，通過其1-Wire接口提供主機系統對保護寄存器、狀態(tài)寄存器、特殊功能寄存器、EEPROM寄存器以及EEPROM等內部存儲器的讀寫訪問。 允許系統通過1-Wire接口對DS2720保護功能進行使能和關斷，監(jiān)測充放電異常情況，此外DS2720還可作為電池選擇器。 超低功耗，工作狀態(tài)耗電僅為15μA，靜態(tài)消耗電流為1 μA。 3 引腳功能及內部結構 3.1 引腳功能 DS2720采用8引腳μSOP封裝，引腳排列如圖1所示。DS2720引腳功能如下： 引腳1(PLS)：電池組的正極輸人。采用100Ω電阻將該引腳接至由兩個N溝道MOSFET控制的電池輸出端，用于充電檢測和過流檢測。 引腳2(PS)：系統(功率)開關檢測輸入，低電平有效。當DS2720處于"睡眠"模式時，此引腳輸入低電平，喚醒DS2720至工作模式，此引腳可接至主微處理器I／O口由主微處理器進行控制。 引腳3(DQ)：數據輸人／輸出。1-Wire總接接口，經上拉電阻接至主微處理器I／O口和主微處理器進行數據通信。 引腳4(VSS)：接地。直接接鋰電池的負極。 引腳5(VDD)：電源輸入。接至鋰電池的正極，用于輸入DS2720的工作電壓(2.5 V～5.5 V)。 引腳6(CC)：充電控制輸出。用于在充電時控制N溝道MOSFET導通關斷。 引腳7(DC)：放電控制輸出。用于在放電時控制N溝道MOSFET導通關斷。 引腳8 (CP)：9 V電荷泵輸出。內部9 V的電荷泵為外部N溝道MOSFET提供高端驅動使其導通。 3.2 內部結構 DS2720主要由過充檢測電路、過放電檢測電路、過流檢測電路、放電延遲電路、負載檢測、充電檢測和過熱檢測電路、EEPROM存儲器、1-Wire接口電路、工作模式控制開關等組成。內部結構如圖2所示。 過充檢測和過放檢測是通過檢測電池電壓并和各自的基準電壓進行比較；過流檢測是通過檢測外部N溝道MOSFET的導通壓降并和內部設定的器件過流檢測電壓相比較。過熱檢測電路是通過檢測芯片溫度并與基準溫度進行比較，EEPOROM存儲器用于存儲電池信息，延遲電路主要是為了防止電壓的噪聲干擾導致電路誤動作，只有當信號保持延遲時間后才能控制外部的N溝道：MOSFET，1-Wire接口電路用于提供主微處理器和DS2720進行數據交換的通路。 4 DS2720存儲結構及程序操作命令 4.1 內部存儲器 DS2720內部集成了256字節(jié)線性地址空間，其中低32字節(jié)用于設備號、狀態(tài)、控制寄存器及可鎖定的EEPROM(8字節(jié))，每個地址數據為8位。DS2720為電池信息存儲提供兩類存儲器，EEPROM和可鎖定EEPROM。EEPROM是非易失(NV)存儲器，用于保存重要的電池數據，不會因電池過度放電、偶然短路或ESD事件丟失數據。可鎖定EEP-ROM在鎖定后相當于只讀存儲器(ROM)，用于更安全地保存不再改變的電池數據。DS2720有效讀／寫存儲區(qū)間即地址分配如表1所示。 保護寄存器的格式：Bit 7：過壓標志OV，Bit6：欠壓標志UV，Bit 5：0,Bit 4：過流標志DOC，Bit 3：CC引腳狀態(tài)標志CC(只讀)，Bit 2：DC引腳狀態(tài)標志DC(只讀)，Bit l：放電使能CE，Bit 0：放電使能DE。 狀態(tài)寄存器的格式：Bit 4為讀網絡地址命令選擇，Bit 5、Bit 3為0，Bit 7、Bit 6、Bit 2、Bit 1、Bit 0為保留位。 EEPROM寄存器的格式：Bit 7：EEPROM復制標志EEC，Bit 6：EEPROM鎖定使能LOCK，Bit 1：可鎖定EEPROM 1鎖定使能BL1，Bit 0：可鎖定EEPROM 0鎖定使能BL0。Bit 5、Bit 4、Bit 3、Bit 2為保留位。 特殊功能寄存器的格式為：Bit 7：PS引腳狀態(tài)標志PS，Bit 0：過熱標志OT，Bit 6、Bit 5、Bit 4、Bit3、Bit2、Bit 1為保留位。 4.2 DS2720控制流程 由于DS2720采用單總線通信方式，因此所有指令都采用數據形式，由主微處理器發(fā)送至DS2720執(zhí)行。主微處理器通過DS2720的DQ引腳將命令逐位串行發(fā)送至DS2720。 典型的單總線命令序列如下： 程序初始化； 網絡地址命令； 功能指令； 數據傳輸。 基于單總線上的所有傳輸都是以初始化開始。初始化過程由主微處理發(fā)出的復位脈沖和從機響應的應答脈沖組成。開始使用前由主微處理器發(fā)出復位信號，DS2720發(fā)出應答脈沖，通知主微處理器其準備就緒。由于單總線系統允許總線上掛接多個從機設備，因此在初始化后，主微處理器發(fā)送網絡地址命令進行搜索或選擇指定從機設備。當總線上掛接多個從設備時，則需要進行搜索匹配等命令操作；當總線上只有一個從機設備時，主微處理器發(fā)出跳越ROM命令，接著進行后續(xù)操作。當主機發(fā)出ROM命令訪問某個指定的DS2720后，接著就可以發(fā)送DS2720的功能命令。 4.3 網絡地址命令 在主機檢測到應答脈沖后就可以發(fā)出網絡地址命令，網絡地址命令包括以下幾種： (1) 搜索ROM[Foh] 搜索1-Wire總線上所有從機設備的ROM地址，這樣主機就能夠判斷出從機設備的數目和類型。 (2) 讀ROM[33h] 該命令僅適用于總線上只有一個從機設備，它允許主機直接讀出從機設備的64位ROM代碼而無須執(zhí)行搜索ROM過程。 (3) 匹配ROM[55h] 匹配ROM命令跟隨64位ROM代碼，從而允許主機訪問多節(jié)點系統中某個指定的從機設備，僅當從機DS2720完全匹配64位ROM代碼時才會響應主機隨后發(fā)送的功能命令。 (4) 跳越ROM[CCh] 主機采用該命令可同時訪問總線上的所有從機設備而無須再發(fā)出其他ROM代碼信息，此命令適用于單1-Wire系統。當1-Wire總線上掛接多個從機設備時，該命令后的功能指令可能會引起數據沖突。 4.4 功能指令 DS2720通過功能指令對其保護寄存器、狀態(tài)寄存器、特殊功能寄存器、EEPROM寄存器以及EEP-ROM等內部存儲器進行讀寫操作。 常用的功能指令及其功能如下： [69H]讀數據指令。用于讀取DS2720某一地址的數據，指令后需跟所要讀取地址。 [6CH]寫數據指令。用于對DS2720某一地址進行寫操作，指令后須跟所要寫入的地址。 [48H]數據復制指令。用于把SRAM中的內容復制到可鎖定的EEPROM中保存。指令后需跟所要復制到的EEPROM地址。 [B8H]數據復制指令。用于把可鎖定的EEP-ROM中的內容復制到SRAM中。指令后需跟EP-PROM的地址。 [6AH]鎖定可鎖定EEPROM存儲器。指令后需跟可鎖定EEPROM的地址，該指令有效的前提是EPPROM寄存器的bit 6(EEPROM鎖定使能位)已置1。 5 基于DS2720的鋰電池保護電路 5.1 DS2720電源工作模式 DS2720電源有"激活"和"睡眠"兩種工作模式。DS2720正常工作時處于"激活"模式，處于"睡眠"模式時，DS2720檢測信號，同時關斷外部的兩個N溝道MOSFET。電源工作模式轉化條件如表2所示。 5.2 DS2720的工作原理及保護功能 當電池電壓處于VUV～VOV范圍內時，DS2720的CC引腳、DC引腳均輸出9 V的高電平。驅動兩個N溝道MOSFET導通，此時電池工作正常，電池向負載的放電和充電器向電池的充電都是自由進行的，可以正常充放電。DS2720工作波形如圖3所示。 充電過壓保護：若在VDD檢測的電池電壓超過過壓閾值VOV，且持續(xù)時間大于過壓延遲TOVD(TOVD典型值為1.0 s)，則DS2720關斷外部充電控制MOSFET，并在保護寄存器中置OV標志。在過壓期間，外部充電控制MOSFET截止，放電控制MOSFET導通，放電通路保持開路；當電池電壓降到充電使能閾值電壓VCE以下或放電導致VDD-VPLS>VOC時，充電控制MOS-FET被重新使能導通(過壓保護過程中，充電控制MOSFET雖為截止狀態(tài)，但放電路徑依然流過其寄生二極管，故此時電池仍可放電)。 過放電欠壓保護：若在VDD檢測的電池電壓低于欠壓閥值VUV，且延遲時間大于TUVD(TUVD典型值：125 ms)，則DS2720關斷充電和放電控制MOSFET，并置保護寄存器的UV標志，使其進入休眠模式。直到電池充電電壓再次高于VUV時，過放電欠壓保護解除，充電和放電控制MOSFET導通。 短路保護：若在VDD檢測的電池電壓低于短路檢測閾值電壓VSC，而且延遲時間大于TSCD(TSCD典型值為100μs)，則DS2720關斷充電和放電控制MOSFET，并置保護寄存器的DOC標志。當VPLS>VDD-VOC時，電流通路重新建立。DS2720提供流經內部電阻RTST(從引腳VDD到引腳PLS，當VDD升至高于VSC時，上拉PLS)的測試電流。此測試電流可使DS2720檢測低阻抗負載的偏移。另外，通過PLS和VDD引腳之間的RTST可恢復充電通路。 過流保護：若加在兩個MOSFET的電壓VDD-VPLS>VOC，并且持續(xù)時間超過TOCD(TOCD典型值16 ms)時，則DS2720關斷外部充電控制和放電控制MOS-FET，并置位保護寄存器DOC標志。當VPLS>VDD-VOC時，電流通路重新建立。 過熱保護：若DS2720溫度超過TMAX，則立即關斷外部充電控制和放電控制MOSFET，防止芯片、電池因過熱導致損壞。當DS2720溫度降至低于TMAX，并且主微處理器復位OT位后，充電控制和放電控制MOSFET恢復導通。DS2720在使用時應盡量貼近電池，以獲得電池的溫度。 恢復充電：VDD引腳和PLS引腳之間集成了一個由內部恢復充電電阻RTST(大小為5kΩ～10kΩ)和一只二極管組成的通路，該通路在滿足一定條件時使能。當電池過放電，鋰電池電壓低于VSC時，DS2720立即使能恢復充電RTST通路，此時充電控制MOSFET和放電控制MOSFET關斷，DS2720通過RTST和二極管組成的通路為電池進行恢復充電(由于放電時二極管工作在反向狀態(tài)，故此時電池不能通過此通路放電)。當鋰電池電壓恢復至VUV時，放電控制MOSFET和充電控制MOSFET均導通，電池自由充放電。當VDD>VCE時恢復充電RTST通路關閉。 5.3 DS2720的應用 5.3.1 鋰電池保護電路及1-Wire接口 DS2720電池保護電路主要由DS2720、兩個外部N溝道MOSFET以及電容電阻組成。DS2720監(jiān)測電池的電壓，并控制兩個N溝道MOSFET進行充電控制、過放電控制、過流控制和過熱控制，PACK+、PACK-為鋰電池經電池保護電路的正負輸出端。DS2720為兩個MOSFET提供高端n-FET驅動，即便在放電快結束時，都能保證低開關阻值，這將有效延長便攜設備電池的運行時間。要根據鋰離子電池充放電電流的額定值及最大充放電比率，選擇具有合適導通電阻的MOSFET。 主微處理器通過1-Wire接口DQ引腳對DS2720進行監(jiān)測和控制，DQ接至主微處理器I／O口時，單總線要求外接一只約4.7 kΩ的上拉電阻，通過DQ引腳可以和單片機進行通信，將檢測到電池在使用中的故障向主微處理器報告。應用電路原理圖如圖4所示。 5.3.2 在鋰離子電池保護電路中的特殊應用 DS2720具有獨特的1-Wire接口，通過此接口可以實現與主微處理器的通信，因此當電池發(fā)生充電過壓、放電欠壓、過流、短路、過熱、電池嚴重損耗現象時，DS2720能及時通過1-Wire接口把故障情況通知給主機，主機可以及時掌握電池故障信息并可以通過聲、光告警反映出來。 由于DS2720具有可編程、程序控制的特點，它的命令集支持多個電池組的切換，因此可用做電池選擇器。DS2720有一個工廠編程的64位網絡地址，允許主系統單獨尋址每個電池，支持多電池工作，因此當DS2720應用于多個電池組時，可以根據情況選擇不同的電池組工作，或當電池發(fā)生故障時及時將信息報告給主微處理器并自動切換其他電池組工作，以保證重要系統的電源供給可靠、不中斷。 6 結束語 DS2720是新一代智能型鋰離子電池保護器件，由DS2720構成的鋰離子電池保護電路高效、穩(wěn)定、可靠、保護功能全面。內部9 V的電荷泵為外部N溝道MOSFET提供高端驅動，導通電阻更低，而且具有獨特的1-Wire接口。該電路通常可作為鋰離子電池充電器的一部分，具有較強的實用性。 |
