電池智能管理系統(tǒng)應(yīng)用

研發(fā)于20世紀90年代末期，致力于將充電技術(shù)從電池化學(xué)中分離出來并支持平臺無關(guān)的可以互換的電池模塊。從此智能電池廣泛應(yīng)用于從筆記本電腦和手機到無線玩具和手持吸塵器等電器上。幾家銷售這些設(shè)備的公司都按照智能電池充電器和智能電池管理電路的標準執(zhí)行。但是新的電池化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)前電池系統(tǒng)的應(yīng)用空間越來越小，這就促使電池管理系統(tǒng)不斷改進直到接近了它的極限。直到Actel的可編程門陣列的出現(xiàn)為電池智能管理應(yīng)用系統(tǒng)的革新打開了一扇大門。

　　從圖1可以看出，智能電池的概念界定為界面，數(shù)據(jù)集，智能電池的處理方式，電池選擇器，電池充電器和智能電池系統(tǒng)的主元素。這個應(yīng)用概述主要描述了一個智能電池系統(tǒng)所必需的組成部分，并用插圖描述了Actel可編程門陣列FPGA是如何節(jié)省空間并實現(xiàn)了所有必須的功能。

　　圖2是一個典型的利用成品元件的智能電池的執(zhí)行圖。智能電池一般包括一個或多個二次電池單元，模擬監(jiān)控芯片，數(shù)字控制器芯片，各種二極管，晶體管，被動器件及多余的安全監(jiān)控芯片。這些都用來監(jiān)控電池的電壓，電流和溫度，控制電池包在允許的范圍內(nèi)放電和充電。

　　Actel的可編程門陣列同時提供了模擬監(jiān)控和數(shù)字控制的功能。一些制造廠家更愿意保留多余的安全器，這種熔斷型的擁有足夠多資源的FPGA器件在應(yīng)用中提供了很大的靈活性。

　　模擬功能

　　職能電池控制器必須能夠測量電池包里每個電池組的電壓值，也必須能夠測量電池充放電的電流和溫度，同時它也能驅(qū)動電池外部的一系列晶體管去控制電池包的放電，充電和熔斷保護。為了實現(xiàn)這些功能，熔斷設(shè)備里有一系列的模擬輸入和輸出接口，這些管腳分類排列的接口被稱為模擬嵌塊，每個模擬嵌塊都給對應(yīng)的模擬多路器提供模擬信號，隨后通過內(nèi)部采樣模塊和保持電路，最后到達12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　模擬嵌塊可配置用來測量電池的電壓，電流和溫度，三個輸入端的任何一個端口都可以用來測量電池的單端電壓，AV和AC的輸入都可以作為差分信號，通過外部的電流監(jiān)控電阻器來測量電壓降，同時AT可以配置為外部的二極管提供小的震蕩電流以便測量二極管周圍的溫度。

　　然而大部分的電池不需要提供負極電壓，這種控制輸入電壓的能力消除了外部部件電路，同時提高了測量電壓的精度。以典型的3組鋰離子電池包為例，Actel的可編程門陣列里12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以提供分辨率為4mV和0.25V準確度不可調(diào)的電壓測量。這對于電池的控制保護電路已經(jīng)足夠了。

　　除了模擬輸入，每個模擬嵌塊都包含有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管控制器。這些驅(qū)動器有可編程的驅(qū)動力，并且能將金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的場力拉到地面。這種驅(qū)動器是在大多數(shù)的電池智能管理項目中用來控制各種MOSFET開關(guān)的最佳選擇。、

　　不像大多數(shù)的成品管理設(shè)備，熔斷設(shè)備集成了RC振蕩器，因此就不需要外部晶振，通過耦合任何一個帶鎖相環(huán)和精確的多路復(fù)用器的熔斷器，這種獨特的特征能夠很好的保護電池電力，在沒有外部器件的情況下，通過一個非常慢的處理時鐘來實現(xiàn)。

　　在智能電池的應(yīng)用中，當(dāng).處于待命狀態(tài)時，熔斷實時計數(shù)器能用作定期喚醒設(shè)備并更新設(shè)備狀態(tài)的間隔定時器。同時，這個電路包含一個活躍的探測器，能夠用來喚醒設(shè)備，不論是例如按鈕的外部事件還是總線的活動都能檢測到。

　　最后，熔斷模擬部件包括一個電壓調(diào)節(jié)器，用來為熔斷設(shè)備提供1.5V電壓，設(shè)備內(nèi)核工作在1.5V電壓下可以節(jié)省一半的電量，這個調(diào)節(jié)器有一個跟上面提到的RTC電路相聯(lián)系的內(nèi)部關(guān)閉裝置，通過關(guān)閉調(diào)節(jié)器能夠使關(guān)閉電路允許FPGA邏輯性達到初始的待命模式，不論是外部的事件引起，還是RTC的計數(shù)達到了程序設(shè)定值，通過啟動調(diào)節(jié)器，RTC都能使設(shè)備工作。

　　數(shù)字模擬

　　在FPGA架構(gòu)中，汽車管理系統(tǒng)界面（俗稱SM BUS）的數(shù)據(jù)交換，開機的初始化邏輯，關(guān)機狀態(tài)保存的參數(shù)及機器的實時變量，或從集成處理器輸入的ADC序列參數(shù)的處理及各種操作必要的計算是通過數(shù)字邏輯實現(xiàn)的，從而可以正確的監(jiān)視和控制智能電池的充放電。并且，F(xiàn)PGA邏輯能支持特定的設(shè)計例如：電池的可靠性，額外的電池的安全性，獨特的多電池構(gòu)造，或者在成品電池控制中不能被發(fā)現(xiàn)的特點。

　　穩(wěn)定記憶（非易失性內(nèi)存 NVW）

　　對于智能電池的應(yīng)用，NVW通常被用來儲存進入待機狀態(tài)前或關(guān)機休眠模式的各參數(shù)的變量，以及在任何狀態(tài)下開機時初始化設(shè)備。NVW也可能用來執(zhí)行ROM機器代碼的命令，或者為嵌入數(shù)據(jù)處理機儲存微代碼命令。

　　穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性是熔斷設(shè)備（保險裝置）的關(guān)鍵特征，基于這個特征才使這個設(shè)備適用于智能電池的應(yīng)用。熔斷設(shè)備（保險裝置）是隨開關(guān)實時啟動的。熔斷設(shè)備隨著電壓的升高也能正常工作，基于現(xiàn)場可編程門陣列結(jié)構(gòu)即使在沒有電力的情況下也能保持它的程序狀態(tài)，當(dāng)核心電壓達到啟動電壓設(shè)備就能運行，這就意味著可編程門陣列在升壓過程中能夠可靠的控制MOSFET狀態(tài)，并且能滿足汽車管理系統(tǒng)的要求，在微秒范圍內(nèi)就能起到監(jiān)控作用。

　　總結(jié)

　　Actel的可編程門陣列融合了標準智能電池.和控制器所需的特征，能夠?qū)δM態(tài)的電壓，電流和溫度的進行測量。Fusion FPGAs（可編程門陣列）包含了對電池的各種狀態(tài)參數(shù)儲存的NVM和處理器代碼儲存的NVM。在Actel的可編程門陣列中，可編的數(shù)字邏輯門和嵌入數(shù)據(jù)處理機融合在一起的特點，使其單芯片的解決方案給創(chuàng)造力和革新留下足夠的空間。