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(diǎn),在GSM/CDMA和高端便攜式產(chǎn)品、通信終端等電子產(chǎn)品中應用廣泛。由于鋰離子電池的特點(diǎn),其保護電路是不可缺少的。目前市場(chǎng)上鋰離子電池保護電路有很多類(lèi)型,但大多功能不完善,僅有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護,沒(méi)有過(guò)熱保護和程序控制、監測功能,然而在放電電流較大時(shí)電池有過(guò)熱的可能。如果沒(méi)有過(guò)熱保護,將會(huì )嚴重影響鋰電池的使用,而且保護電路具有可程序監測、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(guò)熱保護功能,還帶有獨特的1-Wire接口,可用于程序監測、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(diǎn) DS2720是一款單節可充電鋰電池保護器件,通過(guò)控制外部開(kāi)關(guān)器件切斷充電和放電通路,從而實(shí)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(jìn)行有效安全保護,使電池免受過(guò)量充電、過(guò)量消耗、過(guò)高放電電流以及過(guò)高溫度的損害。 DS2720的主要特點(diǎn)如下: 當芯片溫度超過(guò)過(guò)熱基準時(shí)進(jìn)行過(guò)熱保護。 8字節可鎖定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(dòng),與常見(jiàn)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(guò)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(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。 允許系統通過(guò)1-Wire接口對DS2720保護功能進(jìn)行使能和關(guān)斷,監測充放電異常情況,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(gè)N溝道MOSFET控制的電池輸出端,用于充電檢測和過(guò)流檢測。 引腳2(PS):系統(功率)開(kāi)關(guān)檢測輸入,低電平有效。當DS2720處于"睡眠"模式時(shí),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(jìn)行控制。 引腳3(DQ):數據輸人/輸出。1-Wire總接接口,經(jīng)上拉電阻接至主微處理器I/O口和主微處理器進(jìn)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(shí)控制N溝道MOSFET導通關(guān)斷。 引腳7(DC):放電控制輸出。用于在放電時(shí)控制N溝道MOSFET導通關(guān)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(dòng)使其導通。 3.2 內部結構 DS2720主要由過(guò)充檢測電路、過(guò)放電檢測電路、過(guò)流檢測電路、放電延遲電路、負載檢測、充電檢測和過(guò)熱檢測電路、EEPROM存儲器、1-Wire接口電路、工作模式控制開(kāi)關(guān)等組成。內部結構如圖2所示。 過(guò)充檢測和過(guò)放檢測是通過(guò)檢測電池電壓并和各自的基準電壓進(jìn)行比較;過(guò)流檢測是通過(guò)檢測外部N溝道MOSFET的導通壓降并和內部設定的器件過(guò)流檢測電壓相比較。過(guò)熱檢測電路是通過(guò)檢測芯片溫度并與基準溫度進(jìn)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(dòng)作,只有當信號保持延遲時(shí)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(jìn)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字節線(xiàn)性地址空間,其中低32字節用于設備號、狀態(tài)、控制寄存器及可鎖定的EEPROM(8字節),每個(gè)地址數據為8位。DS2720為電池信息存儲提供兩類(lèi)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(huì )因電池過(guò)度放電、偶然短路或ESD事件丟失數據?涉i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(xiě)存儲區間即地址分配如表1所示。 保護寄存器的格式:Bit 7:過(guò)壓標志OV,Bit6:欠壓標志UV,Bit 5:0,Bit 4:過(guò)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(wǎng)絡(luò )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(guò)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(xiàn)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執行。主微處理器通過(guò)DS2720的DQ引腳將命令逐位串行發(fā)送至DS2720。 典型的單總線(xiàn)命令序列如下: 程序初始化; 網(wǎng)絡(luò )地址命令; 功能指令; 數據傳輸。 基于單總線(xiàn)上的所有傳輸都是以初始化開(kāi)始。初始化過(guò)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(kāi)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(xiàn)系統允許總線(xiàn)上掛接多個(gè)從機設備,因此在初始化后,主微處理器發(fā)送網(wǎng)絡(luò )地址命令進(jìn)行搜索或選擇指定從機設備。當總線(xiàn)上掛接多個(gè)從設備時(shí),則需要進(jìn)行搜索匹配等命令操作;當總線(xiàn)上只有一個(gè)從機設備時(shí),主微處理器發(fā)出跳越ROM命令,接著(zhù)進(jìn)行后續操作。當主機發(fā)出ROM命令訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)指定的DS2720后,接著(zhù)就可以發(fā)送DS2720的功能命令。 4.3 網(wǎng)絡(luò )地址命令 在主機檢測到應答脈沖后就可以發(fā)出網(wǎng)絡(luò )地址命令,網(wǎng)絡(luò )地址命令包括以下幾種: (1) 搜索ROM[Foh] 搜索1-Wire總線(xiàn)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(lèi)型。 (2) 讀ROM[33h] 該命令僅適用于總線(xiàn)上只有一個(gè)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(wú)須執行搜索ROM過(guò)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(fǎng)問(wèn)多節點(diǎn)系統中某個(gè)指定的從機設備,僅當從機DS2720完全匹配64位ROM代碼時(shí)才會(huì )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(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)上的所有從機設備而無(wú)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(xiàn)上掛接多個(gè)從機設備時(shí),該命令后的功能指令可能會(huì )引起數據沖突。 4.4 功能指令 DS2720通過(guò)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(jìn)行讀寫(xiě)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(xiě)數據指令。用于對DS2720某一地址進(jìn)行寫(xiě)操作,指令后須跟所要寫(xiě)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(shí)處于"激活"模式,處于"睡眠"模式時(shí),DS2720檢測信號,同時(shí)關(guān)斷外部的兩個(gè)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(shí),DS2720的CC引腳、DC引腳均輸出9 V的高電平。驅動(dòng)兩個(gè)N溝道MOSFET導通,此時(shí)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(jìn)行的,可以正常充放電。DS2720工作波形如圖3所示。 充電過(guò)壓保護:若在VDD檢測的電池電壓超過(guò)過(guò)壓閾值VOV,且持續時(shí)間大于過(guò)壓延遲TOVD(TOVD典型值為1.0 s),則DS2720關(guān)斷外部充電控制MOSFET,并在保護寄存器中置OV標志。在過(guò)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(kāi)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(shí),充電控制MOS-FET被重新使能導通(過(guò)壓保護過(guò)程中,充電控制MOSFET雖為截止狀態(tài),但放電路徑依然流過(guò)其寄生二極管,故此時(shí)電池仍可放電)。 過(guò)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(shí)間大于TUVD(TUVD典型值:125 ms),則DS2720關(guān)斷充電和放電控制MOSFET,并置保護寄存器的UV標志,使其進(jìn)入休眠模式。直到電池充電電壓再次高于VUV時(shí),過(guò)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(shí)間大于TSCD(TSCD典型值為100μs),則DS2720關(guān)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(shí),電流通路重新建立。DS2720提供流經(jīng)內部電阻RTST(從引腳VDD到引腳PLS,當VDD升至高于VSC時(shí),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(guò)PLS和VDD引腳之間的RTST可恢復充電通路。 過(guò)流保護:若加在兩個(gè)MOSFET的電壓VDD-VPLS>VOC,并且持續時(shí)間超過(guò)TOCD(TOCD典型值16 ms)時(shí),則DS2720關(guān)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(shí),電流通路重新建立。 過(guò)熱保護:若DS2720溫度超過(guò)TMAX,則立即關(guān)斷外部充電控制和放電控制MOSFET,防止芯片、電池因過(guò)熱導致?lián)p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(shí)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(gè)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(mǎn)足一定條件時(shí)使能。當電池過(guò)放電,鋰電池電壓低于VSC時(shí),DS2720立即使能恢復充電RTST通路,此時(shí)充電控制MOSFET和放電控制MOSFET關(guān)斷,DS2720通過(guò)RTST和二極管組成的通路為電池進(jìn)行恢復充電(由于放電時(shí)二極管工作在反向狀態(tài),故此時(shí)電池不能通過(guò)此通路放電)。當鋰電池電壓恢復至VUV時(shí),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(shí)恢復充電RTST通路關(guān)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(gè)外部N溝道MOSFET以及電容電阻組成。DS2720監測電池的電壓,并控制兩個(gè)N溝道MOSFET進(jìn)行充電控制、過(guò)放電控制、過(guò)流控制和過(guò)熱控制,PACK+、PACK-為鋰電池經(jīng)電池保護電路的正負輸出端。DS2720為兩個(gè)MOSFET提供高端n-FET驅動(dòng),即便在放電快結束時(shí),都能保證低開(kāi)關(guān)阻值,這將有效延長(cháng)便攜設備電池的運行時(shí)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(guò)1-Wire接口DQ引腳對DS2720進(jìn)行監測和控制,DQ接至主微處理器I/O口時(shí),單總線(xiàn)要求外接一只約4.7 kΩ的上拉電阻,通過(guò)DQ引腳可以和單片機進(jìn)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(guò)此接口可以實(shí)現與主微處理器的通信,因此當電池發(fā)生充電過(guò)壓、放電欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱、電池嚴重損耗現象時(shí),DS2720能及時(shí)通過(guò)1-Wire接口把故障情況通知給主機,主機可以及時(shí)掌握電池故障信息并可以通過(guò)聲、光告警反映出來(lái)。 由于DS2720具有可編程、程序控制的特點(diǎn),它的命令集支持多個(gè)電池組的切換,因此可用做電池選擇器。DS2720有一個(gè)工廠(chǎng)編程的64位網(wǎng)絡(luò )地址,允許主系統單獨尋址每個(gè)電池,支持多電池工作,因此當DS2720應用于多個(gè)電池組時(shí),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(shí)及時(shí)將信息報告給主微處理器并自動(dòng)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(yǔ) 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(dòng),導通電阻更低,而且具有獨特的1-Wire接口。該電路通?勺鳛殇囯x子電池充電器的一部分,具有較強的實(shí)用性。 |