一种锂电池电量监测电路设计方法

摘要：针对常见锂电池过压过流保护、电池电量监测问题，提出一种实用的解决方案，该方案采用DS2762芯片作为核心器件，配合必须的外围器件完成对锂电池的监测，通过数据线与主控制器交换信息，为主控制器提供电池的各种状态信息。该电路方案性能优良，扩展性强，可以广泛应用于各类电子设备，完成对电池的全面监控和管理。
关键词：锂电池；状态监测；安全保护；剩余电量估计

0 引言
    随着手机、数码相机、音频视频播放器等便携式电子设备的迅猛发展，其工作及待机时间逐渐成为限制其发展的一项瓶颈技术。延长设备工作时间一般从两方面入手：提高电池容量及效率；加强电池用电量管理。目前便携式电子没备大都使用的是可充电锂电池。锂电池是指以锂为负极材料的化学电池的总称，包括锂离子电池、锂聚合物电池等。该类电池无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长，具有较高的能量／质量比和能量／体积比。同时该类电池不足在于在充电及使用过程中要求比较苛刻，充电过流、过压以及放电短路、过热等情况都会严重影响电池的寿命及性能，需要在使用过程采用用电路进行控制及管理。同时为了提高电池的使用率及全面掌握电池的状态，需要实时监测电池的电池电压、剩余电量、估计供电时间、温度等诸多信号，根据该类决定控制策略，从而提高系统运行可靠性。通常，在电池放电过程中，电池电压与剩余电量、工作时间之间并不是线性关系，所以不能简单地采用电压采样、函数计算剩余电量。针对该要求，设计了一种基于芯片的锂电池监测及保护电路，同时配合主控制器(MCU)完成对锂电池的可靠管理及有效保护，实际使用及测试表明该设计合理可行。

1 DS2762芯片介绍
    DS2762是MAXIM公司推出一款集数据采集、信息存储和安全保护于一体的高精度Li+电池监视器，专为对成本敏感的电池组应用设计。这款低功耗器件集成了精确的温度、电压、和电流测量，非易失(NV)数据存储，以及Li+电池保护电路，采用小尺寸的TSSOP封装或倒装片封装。对于剩余容量估计、安全监视和电池特性数据存储等应用来讲，采用DS2762进行电池监测是比较合适的方案。该芯片可以实时监测电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数，并可以把这些数据储存起来，提供给单片机作相应处理。它的主要特性有：
    (1)提供Li+电池安全电路，包括过压保护、过流／短路保护、欠压保护。
    (2)累积电流或温度超过用户设置的门限时，向主机发出警示信号。
    (3)电流检测可使用内置25 mΩ检流电阻或外部用户可选检流电阻。
    (4)电流测量。12位双向测量。
    内部检流电阻：0．625 mA LSB和±1．9 A动态范围；
    外部检流电阻：15．625μV LSB和±64 mV动态范围。
    (5)电流累计。内部检流电阻：0．25 mAhr LSB；
    外部检流电阻：6．25μVhr LSB。
    (6)电压测量分辨率为4．88 mV。
    (7)使用集成传感器测量温度，分辨率为0．125℃。
    (8)支持系统电源管理和控制功能。
    (9)32 B可锁定E2PROM，16B通用SRAM。
    (10)Dallas 1-Wire接口，具有惟一的64位器件地址。
    (11)低功耗。工作电流：典型为60μA，最大90μA；休眠电流：典型为1μA，最大为2μA。
    该芯片采用TSSOP封装，其管脚分配及定义如表1所示。

    DS2762主要由内部寄存器、累加器、传感器、ADC等部分组成，图1给出其内部功能框图。

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2 硬件电路设计
2．1 监测保护电路
    由于DS2762能够判断电池过压、过放电、过流等状态，并能通过CC，DC端输出控制电平，只需要在外部电路中增加控制开关MOS管进行控制，在过压、过放电、过流等状态下断掉电池输出进行保护。同时DS2762和外部主控单元只需要一线制连接传输命令及数据，为了保证可靠数据的可靠连接，需要在数据线上接4．7 kΩ左右的上拉电阻。图2给出具体电路接连关系及各个器件的电性能参数。

    在图2中采用外部电阻Rsns进行电流采样，其阻值根据实际需要进行选择，一般都在mΩ级。也可以选择其内置的电流取样电阻，如图3所示。电流传感器的输入端IS1、IS2通过上拉电阻分别接在SNS端和VSS，其Rsns-int的阻值常温下为25 mΩ。在采用内置传感器状态下，通过在IS1，IS2外接一个电容，和内部电阻组成一个低通滤波器。
    根据图2电路连接，当电池电压VCELL在VOV和VLV之间变化，充电保护输出端CC和放电保护输出端DC根据VCELL的变化输出高低电平。其逻辑及时序关系如图4所示。

2．2 主控制器及显示
    主控制根据工作状态对DS2762进行控制及访问，取得电池状态的实时信息。根据便携式电子设备的具体应用情况，该主控制器可以是DSP，ARM，MCU等。文中实验电路中采用Atmel公司的AT89S52，带8 KB闪速可编程可擦除制度存储器(PEROM)低电压，高性能CMOS微控制器。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中。采用单片机直接驱动LED显示屏，实时显示电池的各种状态信息。

3 软件设计
    由于DS2672芯片功能强大，大部分工作都是其自主完成，与主控制器之间只需要进行相关通信即可。芯片和主控制器连接通过一线制接口，可以分别传输收发信号。DS2672芯片的寄存器主要有：电流寄存器、电流累计寄存器、电流偏置补偿寄存器、电压寄存器、温度寄存器、电流累积高阈值寄存器、电流累积低阈值寄存器、温度保护高阈值寄存器、温度保护低阈值寄存器等。在使用过程中，主控制器严格按照DS2672芯片的读／写时序，读取或设置各个寄存器准内容。其主要控制命令见表2。

4 结语
    便携式电子没备中的锂电池在充电及使用过程中需要对充电过流、过压以及放电短路、过热等情况进行控制及保护，同时需要实时监测电池的电池电压、剩余电量、估计供电时间、温度等诸多信号，根据监测结果进行判决处理。文中提出一种基于DS2762芯片的电池电量监测电路设计方法，能够对锂电池的过压、过流、短路等状态进行自动保护，配合主控制器读取电池的实时电压、剩余电量、温度等数值并进行处理。该电路性能优良，扩展性强，可以广泛应用于各类电子设备完成对电池的全面管理。