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PS501是美國微芯科技公司推出的智能電池管理芯片，適用于2～4節鋰離子及鋰聚合物電池組，或6～12節鎳氫及鎳鎘電池組，能準確計算出電池組 的剩余容量、滿(mǎn)充容量，以及預測電池的可運行時(shí)間和充電完成所需要的時(shí)間，提供電池監控功能，確保使用安全，先進(jìn)的電池平衡功能可以延長(cháng)電池壽命及工作時(shí)間。其通信協(xié)議符合SMBus 1.1和SBdata 1.1智能電池指令集。 特點(diǎn)和引腳說(shuō)明 ● 特點(diǎn) 支持2～4節鋰電池和6～12節鎳電池。 基于PIC18F MCU內核，現場(chǎng)可編程的鋰離子/鋰聚合物/鎳電池電量計量芯片。 遵循SMBus 1.1和SBdata 1.1。 精密的16位Δ-Σ A/D轉換，電流測量精度為小于1mA。 18V最大輸入電壓，電壓測量端可直接與電池芯相連接。 可編程I/O用于LED驅動(dòng)和充放電保護和二次安完保護。 對不同的電池芯，用戶(hù)可以配置不同的電池模型。 電池容量計量誤差小于1%。 先進(jìn)的放電完(EOD)判斷方法。 16KB閃存和256Byte EEPROM。 高精度的內部振蕩器。 極低的電源消耗，工作時(shí)耗電為200μA，采樣模式時(shí)為100μA，休眠時(shí)僅為0.5μA。 增強型ESD保護能力。 12個(gè)通用可編程I/O口，其中2個(gè)為高電壓(最高18V)開(kāi)漏輸出。 集成和外接溫度傳感器，實(shí)現兩個(gè)位置溫度檢測功能。 內置最大平衡電流為8.4mA的電池平衡電路和外部電池平衡控制功能。 ● 引腳說(shuō)明 PS501采用TSSOP28無(wú)鉛封裝，符合歐盟的RoSH以及各國的環(huán)保要求，其引腳排列如圖1所示。超小體積的TSSOP封裝(7.85mm×10.2mm)可節省PCB的空間，方便地安裝于不同尺寸的電池包中，如圖2所示。 圖1 PS501引腳圖 圖2 基于PS501的智能電池包 PS501引腳功能簡(jiǎn)介 PS501內部結構和工作原理 ● PS501內部結構 PS501的內部結構見(jiàn)圖3。 圖3 PS501內部結構圖 ● 處理器內核/存儲器 PS501采用了PIC18 8位RISC單片機內核，其存儲器資源包括16KB 閃存，以及256Byte EEPROM，分別用于存儲程序/數據和參數。這兩種存儲器均可通過(guò)SMBus接口進(jìn)行重新編程，而不需要特別的編程接口。每片PS501在出廠(chǎng)前都已經(jīng) 燒錄好Boot loader程序，針對不同型號用電設備，不同特性的電池芯，以及不同容量等配置信息用戶(hù)可以使用Powertool500軟件設置生成不同的固件，在電 池包生產(chǎn)現場(chǎng)下載固件，從而電池包的生產(chǎn)廠(chǎng)可以方便快速地對不同特性的電池芯，不同的上位機設備更改固件，而不需要改動(dòng)硬件電路。 ● A/D轉換器 PS501利用高精度A/D轉換器來(lái)進(jìn)行電流、電壓和溫度的精確測量。A/D經(jīng)過(guò)校準后可消除增益誤差和偏移誤差�；� PS501芯片的電池包管理PCBA在生產(chǎn)過(guò)程中除了要現場(chǎng)下載固件外，還要對A/D轉換電路及硅時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行校準，校準的內容包括：電池組電壓采樣， 每串電池芯電壓采樣，外部和內部溫度采樣，電流采樣，以及硅時(shí)鐘振蕩器。因此不管是元件精度，PCB設計等造成的累加誤差都可以通過(guò)校準最大程度地進(jìn)行更 正，從而確保每個(gè)PCBA對物理量的采樣都是精確的，而這個(gè)過(guò)程花費的全部時(shí)間僅為15s，而且全過(guò)程全部自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預。 ● PowerSmart固件/電池模型 Flash存儲器中固化有所利用PowerSmart開(kāi)發(fā)的電池管理固件。該固件采用專(zhuān)有算法以及精密的三維電池模型，模型包含250多種參數，并可對自放電、溫度以及其他因素進(jìn)行補償。除此之外，PS501在充/放電周期內還執行了多項容量校正和減小誤差的操作，以提高精度、 改善電量計和充電控制性能。上述功能可確保實(shí)現精確的電池容量報告以及誤差小于1%的實(shí)時(shí)預測。閃存的可再編程特性使得在無(wú)需改變硅片設計的前提下，可迅 速實(shí)現固件升級并生成用戶(hù)版本。PS501可根據特定應用的電池化學(xué)性質(zhì)輕松進(jìn)行用戶(hù)定制。 PowerSmart提供了各種標準配置文件，可用于配置各種流行的充電電池和電池組應用。圖4和表1是不同溫度，不同放電率的放電結束電壓3D模型和PS501內部表格參數一個(gè)例子。 圖4 不同溫度、不同放電率的放電結束電壓3D模型 表1 鋰電池放電結束電壓查找表 ● SMBus接口/SBdata命令 PS501包括一個(gè)符合SMBus v1.1協(xié)議的SMBus通信引擎，目前所有的筆記本電腦與筆記本電池的通信都遵循這個(gè)通信協(xié)議。SMBUS是I2C通信協(xié)議的一個(gè)子集，使用帶有I2C 通信接口的處理器或者用軟件模擬I2C通信接口的方法，都可以很容易地讀取PS501的SBdata數據，應用到不同的電子產(chǎn)品中。 ● 精確的集成時(shí)基 PS501帶有一個(gè)高精度硅振蕩器，無(wú)需外接時(shí)鐘振蕩器即可進(jìn)行自放電定時(shí)和容量計算的精確定時(shí)。這個(gè)內部硅振蕩器在電池組生產(chǎn)時(shí)可以由用戶(hù)進(jìn)行校準。 ● 溫度檢測 當PS501緊靠被監控的電池時(shí)，可采用片內集成的溫度傳感器以減少器件數目，用戶(hù)也可選擇通過(guò)器件提供的引腳外接熱敏電阻進(jìn)行溫度監控。同時(shí)PS501可以支持內外兩個(gè)傳感器分別進(jìn)行采樣，監測兩個(gè)不同地方的溫度，并可以通過(guò)GPIO做出不同條件的溫度保護。 ● 通用I/O PS501提供12個(gè)可編程數字輸入/輸出引腳。其中8個(gè)引腳可用作LED輸出以顯示充電狀態(tài)(SOC)，或直接控制外部充電 電路，或為鋰離子電池組提供額外的安全保護。當然，它們也可用作通用輸入/輸出引腳。在這些引腳中，有兩個(gè)I/O是開(kāi)漏輸出引腳，因此可用于直接驅動(dòng) FET或其他高電壓應用。 在PS501內部提供的最大8.4mA平衡電流不足以滿(mǎn)足大容量電池包的平衡功能需要時(shí)，PS501可以通過(guò)通用 I/O控制外部的平衡電路，實(shí)現用戶(hù)自定義大小的平衡電流控制。此外通用 I/O還可以用作電池低容量工作時(shí)驅動(dòng)蜂鳴器作低電量聲音提示。 工作模式 PS501有4種工作模式：運行模式、采樣模式、低電壓休眠模式和閑置休眠模式。每種模式都有特定的進(jìn)入和退出條件，四種模式的功耗各不相同。 ● 運行模式：PS501在電池組在充電或放電的過(guò)程中工作在這種模式。 運行模式是功耗最大的工作模式。在運行模式中，一個(gè)測量周期內所有測量和計算進(jìn)行一次。在每個(gè)測量周期，依次對電流、電壓和溫度進(jìn)行測量。例如：當筆記本電腦在工作或充電時(shí)，PS501的工作電流為200μA。 ● 采樣模式：PS501在電池組既沒(méi)有充電也沒(méi)有用電的情況下進(jìn)行采樣模式。 采樣模式中，充電狀態(tài)的計算、SMBus請求等操作仍將按照正常運行模式的頻率進(jìn)行，不同的是每隔多個(gè)采樣周期才進(jìn)行一次測量。器件總功耗得以顯著(zhù)降。例如：筆記本電腦在關(guān)機時(shí), PS501的工作電流為100μA。 ● 低電壓休眠模式：電池組電壓測量值低于用戶(hù)的預設數值時(shí)，器件進(jìn)入休眠模式。 處于休眠模式的PS501不再進(jìn)行測量和計算。電量計顯示器不工作，SMBus上的通信被忽略，只有當滿(mǎn)足了喚醒條件時(shí)器件才可退出休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式之一，用于電池徹底放電后保存電池能量，此時(shí)PS501的工作電流可以低至1μA。 ● 閑置休眠模式：對于需要長(cháng)期儲存的電池組，可采用閑置休眠模式。 該模式下，無(wú)論電壓值的大小，PS501都將進(jìn)入低功耗休眠模式。用SMBus命令可使器件進(jìn)入該模式。此時(shí)PS501的典型功耗可以低至 1μA。當SMBUS總線(xiàn)有上拉電平退出該模式。該模式應用于電池包在長(cháng)期儲存和運輸的過(guò)程節省電量。如：筆記本電腦電池在生產(chǎn)后到用戶(hù)第一次使用 這個(gè)過(guò)程PS501可以設置工作在這種模式。 電池平衡 ● 電池平衡功能的必要性 當一個(gè)串聯(lián)電池包中的電池芯中有電池芯的容量與其他串聯(lián)的電池芯片不同時(shí)，會(huì )體現為在電池組充滿(mǎn)或放完時(shí)串聯(lián)電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導 致在電池組充電的過(guò)程中，電壓過(guò)高的電池芯提早觸發(fā)電池組過(guò)充電保護，而在放電過(guò)程中電壓過(guò)低的電池芯導致電池組過(guò)放電保護，從而使電池組的整體容量明顯 下降，整個(gè)電池組體現出來(lái)的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量。 ● PS501的內部平衡功能 PS501片內具備電池平衡負載，用以從具有較高電壓的電池抽取多余的電流,消耗多余的電量，實(shí)現電池平衡。根據電池電壓大小的不同，內部的多個(gè) 500Ω電阻將從每節電池抽取最多 8.4mA的電流。電池平衡算法將對單個(gè)電池的電壓以及它們之間的電壓差進(jìn)行監視。對于容量較小，而且電池芯的性能及一致性較好的電池組，可以選擇使用內 部平衡功能。 ● PS501的外部平衡控制功能 當電池組的容量較大，并且電池芯的性能和一致性較差的情況下，PS501片內的平衡電路無(wú)法有效地起到電池平衡功能。這種情況下，可以使用 PS501的可編程I/O并通過(guò)芯片外部的簡(jiǎn)單元件實(shí)現大電流的電池平衡功能，參考應用電池見(jiàn)圖5。這樣，通過(guò)改變分流電阻的阻值，可以方便地實(shí)現不同平 衡電流，通常在一些應用中將其設為100mA以上。這個(gè)功能特別適用于使用國產(chǎn)大容量電池芯的電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具、外置電池包等應用。 圖5 PS501外置電池平衡電路 PS501的典型應用電路 PS501的典型應用電路見(jiàn)圖6。 圖6 PS501典型應用電路 ● 電量計量功能：PS501直接對四串鋰電池進(jìn)行電壓采樣，電流的采樣通過(guò)串在主回路中的采樣電阻的兩端的電壓降得知。溫度采用片內傳感器。 ● 一次保護功能：鋰離子電池在過(guò)充電和過(guò)放電、過(guò)流、過(guò)溫等情況下都有可能會(huì )損壞電池和用電設備，并有發(fā)生電池爆炸或著(zhù)火的危險。本方案使用專(zhuān)用的電池保護 芯片如SEIKO公司的S-8254或MITSUMI公司的MM1414和PS501共同控制充電和放電保護MOSFET，實(shí)現雙重一次保護功能。 ● 二次保護功能：在一次保護沒(méi)有正確保護，并且電池于危險的前提下，PS501可以控制熱熔保險絲，將其熔斷從而避免發(fā)生電池爆炸或著(zhù)火的危險。 ● 通信：主機通過(guò)SMBUS與PS501通信，讀取電池的各種信息。 ● 電池平衡：使用片內電池平衡功能。 PS501的實(shí)測數據 圖7是基于PS501的智能電池組實(shí)測數據。 圖7 PS501的實(shí)測數據 電池組形式：3串2并(3S2P)容量4000mAH 充電設置：恒流為3000mA、恒壓為12600mV，停充條件為電流小于100mA。 放電設置：恒流為4500mA，停放條件為包電壓低于9000mV。 測試結果： PS501準確地計算出電池組的容量，保證運行時(shí)間。 在充電過(guò)程中可以實(shí)時(shí)記錄獲得的容量，并且在電池充滿(mǎn)時(shí)計算出的電池容量與實(shí)際的電池容量4000mAH相符。 放電過(guò)程中，準確記錄放出的電量，并且在電池放光時(shí)，計算出的容量為0保證用電設備能及時(shí)存盤(pán)，關(guān)機。并獲得電池使用的最大容量。 結語(yǔ) 基于PS501的智能電池系統，可以準確地計算電池組的剩余容量和報告電池的狀態(tài)，從而確保用電設備運行的可靠性以及最大化電池的使用時(shí)間。 PS501的GPIO可以實(shí)現電池靈活的保護功能，確保電池的使用安全，同時(shí)內置電池平衡電路以及外部的電池平衡控制功能保證了電池組的電壓平衡，大大延長(cháng)了電池的使用時(shí)間和壽命，這個(gè)功能對國產(chǎn)電池芯尤其實(shí)用。 |
