摘 要：針對常見鋰電池過壓過流保護、電池電量監(jiān)測問題，提出一種實用的解決方案，該方案采用DS2762芯片作為核心器件，配合必須的外圍器件完成對鋰電池的監(jiān)測，通過數據線與主控制器交換信息，為主控制器提供電池的各種狀態(tài)信息。該電路方案性能優(yōu)良，擴展性強，可以廣泛應用于各類電子設備，完成對電池的全面監(jiān)控和管理。

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關鍵詞：鋰電池; 狀態(tài)監(jiān)測; 安全保護; 剩余電量估計

中圖分類號：TN710-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0192-03

A design method of Li+ battery monitoring circuit

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XIE Zhuo1， ZHAO Peng-bin2

(1.Xi’an Telecommunication College of PLA， Xi’an 710106， China；2. Shaanxi Fenghuo Electronics Co. Ltd.， Baoji 721006， China)

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Abstract：

With the rapid development of the portable devices， the battery technology is becoming the crucial one to interfere the development， especially the power management and control are paid important attention. In this paper， a method is presented to protect Li+ battery， estimate remaining capacity， and acquisit battery statement. The design adopted DS2762 as the key component with other circuits to achieve the goal， the data wire swapping information with a host controller was used to provide the precise temperature， voltage， and current measurement for the host controller. The circuit has an excellent performance and fine extensibility， and may be widely used in all kinds of electronic equipment to finish the battery monitoring and management.

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Keywords： Li+ battery; state monitoring; safety-protection; remaining capacity estimation

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收稿日期：2011-09-05

0 引 言

隨著手機、數碼相機、音頻視頻播放器等便攜式電子設備的迅猛發(fā)展，其工作及待機時間逐漸成為限制其發(fā)展的一項瓶頸技術。延長設備工作時間一般從兩方面入手：提高電池容量及效率；加強電池用電量管理。目前便攜式電子設備大都使用的是可充電鋰電池。鋰電池是指以鋰為負極材料的化學電池的總稱，包括鋰離子電池、鋰聚合物電池等。該類電池無記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命較長，具有較高的能量/質量比和能量/體積比。同時該類電池不足在于在充電及使用過程中要求比較苛刻，充電過流、過壓以及放電短路、過熱等情況都會嚴重影響電池的壽命及性能，需要在使用過程采用用電路進行控制及管理。同時為了提高電池的使用率及全面掌握電池的狀態(tài)，需要實時監(jiān)測電池的電池電壓、剩余電量、估計供電時間、溫度等諸多信號，根據該類決定控制策略，從而提高系統(tǒng)運行可靠性。通常，在電池放電過程中，電池電壓與剩余電量、工作時間之間并不是線性關系，所以不能簡單地采用電壓采樣、函數計算剩余電量[1-2]。針對該要求，設計了一種基于芯片的鋰電池監(jiān)測及保護電路，同時配合主控制器(MCU)完成對鋰電池的可靠管理及有效保護，實際使用及測試表明該設計合理可行。

1 DS2762芯片介紹

DS2762是MAXIM公司推出一款集數據采集、信息存儲和安全保護于一體的高精度Li+電池監(jiān)視器，專為對成本敏感的電池組應用設計。這款低功耗器件集成了精確的溫度、電壓、和電流測量，非易失(NV)數據存儲，以及Li+電池保護電路，采用小尺寸的TSSOP封裝或倒裝片封裝。對于剩余容量估計、安全監(jiān)視和電池特性數據存儲等應用來講，采用DS2762進行電池監(jiān)測是比較合適的方案。該芯片可以實時監(jiān)測電池的電壓、電流、充放電狀況及剩余電量等參數，并可以把這些數據儲存起來，提供給單片機作相應處理[3-4]。它的主要特性有：

(1) 提供Li+電池安全電路，包括過壓保護、過流/短路保護、欠壓保護。

(2) 累積電流或溫度超過用戶設置的門限時，向主機發(fā)出警示信號。

(3) 電流檢測可使用內置25 mΩ檢流電阻或外部用戶可選檢流電阻。

(4) 電流測量。12位雙向測量。

內部檢流電阻：0.625 mA LSB和±1.9 A動態(tài)范圍；

外部檢流電阻：15.625 μV LSB和±64 mV動態(tài)范圍。

(5) 電流累計。內部檢流電阻：0.25 mAhr LSB；

外部檢流電阻：6.25 μVhr LSB。

(6) 電壓測量分辨率為4.88 mV。

(7) 使用集成傳感器測量溫度，分辨率為0.125 ℃。

(8) 支持系統(tǒng)電源管理和控制功能。

(9) 32 B可鎖定E2PROM，16 B通用SRAM。

(10) Dallas 1-WireR○接口，具有惟一的64位器件地址。

(11) 低功耗。工作電流：典型為60 μA，最大90 μA；休眠電流：典型為1 μA，最大為2 μA。

該芯片采用TSSOP封裝，其管腳分配及定義如表1所示。

表1 DS2762管腳分配及定義

管腳

TSSOPFLIP CHIP符號定義

1C1CC充電保護控制

2B1PLS用戶端電壓正極

3B2DC放電保護控制

4，5，6A3SNS感應電阻連接端

7B4DQ數據輸入、輸出端口

8C4IS1感應輸入端

9D4IS2感應輸入端

10E4PS電源模式選擇端

11，12，13F3VSS接地

14E2PIO可編程I/O端

15E1VDD電池正極輸入

16D1Vin感應電壓輸入

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DS2762主要由內部寄存器、累加器、傳感器、ADC等部分組成，圖1給出其內部功能框圖。

2 硬件電路設計 

2.1 監(jiān)測保護電路

由于DS2762能夠判斷電池過壓、過放電、過流等狀態(tài)，并能通過CC，DC端輸出控制電平，只需要在外部電路中增加控制開關MOS管進行控制，在過壓、過放電、過流等狀態(tài)下斷掉電池輸出進行保護。同時DS2762和外部主控單元只需要一線制連接傳輸命令及數據，為了保證可靠數據的可靠連接，需要在數據線上接4.7 kΩ左右的上拉電阻。圖2給出具體電路接連關系及各個器件的電性能參數[3]。

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圖1 DS2762內部組成框圖

在圖2中采用外部電阻Rsns進行電流采樣，其阻值根據實際需要進行選擇，一般都在mΩ級。也可以選擇其內置的電流取樣電阻，如圖3所示。電流傳感器的輸入端IS1、IS2通過上拉電阻分別接在SNS端和VSS，其Rsns-int的阻值常溫下為25 mΩ。在采用內置傳感器狀態(tài)下，通過在IS1，IS2外接一個電容，和內部電阻組成一個低通濾波器。

圖2 電池監(jiān)測電路

圖3 電池監(jiān)測電路

根據圖2電路連接，當電池電壓VCELL在VOV和VLV之間變化，充電保護輸出端CC和放電保護輸出端DC根據VCELL的變化輸出高低電平。其邏輯及時序關系如圖4所示。

2.2 主控制器及顯示

主控制根據工作狀態(tài)對DS2762進行控制及訪問，取得電池狀態(tài)的實時信息。根據便攜式電子設備的具體應用情況，該主控制器可以是DSP，ARM，MCU等。文中實驗電路中采用Atmel公司的AT89S52，帶8 KB閃速可編程可擦除制度存儲器(PEROM)低電壓，高性能CMOS微控制器。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中。采用單片機直接驅動LED顯示屏，實時顯示電池的各種狀態(tài)信息[5]。

圖4 保護狀態(tài)下各控制管腳輸出電平

3 軟件設計

由于DS2672芯片功能強大，大部分工作都是其自主完成，與主控制器之間只需要進行相關通信即可。芯片和主控制器連接通過一線制接口，可以分別傳輸收發(fā)信號。DS2672芯片的寄存器主要有：電流寄存器、電流累計寄存器、電流偏置補償寄存器、電壓寄存器、溫度寄存器、電流累積高閾值寄存器、電流累積低閾值寄存器、溫度保護高閾值寄存器、溫度保護低閾值寄存器等。在使用過程中，主控制器嚴格按照DS2672芯片的讀/寫時序，讀取或設置各個寄存器準內容。其主要控制命令見表2。

4 結 語

便攜式電子設備中的鋰電池在充電及使用過程中需要對充電過流、過壓以及放電短路、 過熱等情況進行

控制及保護，同時需要實時監(jiān)測電池的電池電壓、剩余電量、估計供電時間、溫度等諸多信號，根據監(jiān)測結果進行判決處理。文中提出一種基于DS2762芯片的電池電量監(jiān)測電路設計方法，能夠對鋰電池的過壓、過流、短路等狀態(tài)進行自動保護，配合主控制器讀取電池的實時電壓、剩余電量、溫度等數值并進行處理。該電路性能優(yōu)良，擴展性強，可以廣泛應用于各類電子設備完成對電池的全面管理。

表2 主要控制命令列表

命令命令協議總線狀態(tài)總線數據

讀數據69H， XX主機RX最高可達256 B

寫數據6CH， XX主機TX最高可達256 B

復制數據48H， XXIDLENone

重置數據B8H， XXIDLENone

鎖定6AH， XXIDLENone

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參 考 文 獻

［1］盧林.電池管理設計及發(fā)展趨勢［J］.電子測試，2007(12):7-11.

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［2］陳祝清.電池電量計的原理與計算［J］.今日電子，2008(1):36-38.

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［3］張青波，宋寅卯.高精度鋰電池監(jiān)測芯片DS2762的原理及應用[J].國外電子元器件，2004(6):37-39.

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［4］盧崇，何娟，盧斌，等.DS2720功能及其應用技術研究［J］.國外電子元器件，2007(4):42-46.

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［5］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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［6］周志敏，周紀海，紀愛華.充電器電路設計與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

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［7］劉麗娜，李麗，房國志.手機電池智能測試儀的設計［J］.天津理工大學學報，2008(8):61-63.

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作者簡介：

謝 卓 男，1983年出生，陜西周至人，參謀。主要研究方向為通信技術及軍事通信保障。

趙朋斌 男，1982年出生，陜西周至人，工程師。主要研究方向為通信信號處理及電路設計。