基于SMBus的智能電池系統(tǒng)

摘要: 本文概要地介紹了智能電池系統(tǒng)，并介紹了一種典型芯片——Max1660的電量計(jì)數(shù)及電池保護(hù)等功能，給出了一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞:智能電池 電量計(jì)數(shù) SMBus Max1660

　　現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品壽命需求和對(duì)產(chǎn)品的性能和功能的要求迅速提高。最新的掌上電腦要求把最多的功能壓到最少的空間中去，這就驅(qū)使電池的設(shè)計(jì)者不得不考慮在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面做顯著的變化。這包括;使用低壓器件，關(guān)掉未在使用的子系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行管理，發(fā)展智能電池和電池管理系統(tǒng)等。

　　新的智能電池的設(shè)計(jì)需要各種不同甚至相反的領(lǐng)域的知識(shí)，在某些應(yīng)用中甚至是全新領(lǐng)域的知識(shí)。這些領(lǐng)域包括關(guān)于電池運(yùn)行的電池化學(xué)知識(shí)；關(guān)于系統(tǒng)各零件相互作用的系統(tǒng)工程知識(shí)和使用者怎樣操作一個(gè)特殊設(shè)備的設(shè)計(jì)知識(shí)。因此，一個(gè)規(guī)范或者說(shuō)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將必不可少，它可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可移植性。

智能電池規(guī)范

　　電池的智能化是最近才發(fā)展起來(lái)的，這就使得智能電池的實(shí)現(xiàn)方案多種多樣。因而，一些標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始出現(xiàn)。這些標(biāo)準(zhǔn)一般是由便攜電腦制造商推動(dòng)的。但在一些單電池系統(tǒng)中，例如在蜂窩式移動(dòng)電話系統(tǒng)中，成本問(wèn)題限制了電池系統(tǒng)一些操作，使智能電池標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展復(fù)雜化了。

　　一線接口 電池包與系統(tǒng)的通訊是一個(gè)很重要的需要考慮的因素。這個(gè)接口要有盡可能少的信號(hào)線以減少電池包的連線數(shù)。因而，許多單電池系統(tǒng)采用一線接口（1-wire）,例如，蜂窩移動(dòng)電話。在1-wire接口中，0或1取決于信號(hào)線上0的有效周期。這種類型的接口提供了一個(gè)異步連接。當(dāng)前有三種不同的一線接口(1-Wire)，它們之間只有輕微的差別。由于其內(nèi)在特點(diǎn)，一線接口的傳輸速率很慢。在低成本系統(tǒng)中，這樣的速率是可接受的，因?yàn)橹挥袠O少的信息需要傳遞給主機(jī)。但在多電池系統(tǒng)中，就有更多的信息需要傳遞給主機(jī)，這是就要求有更快的接口速度了。 SMBus接口 1996年，Intel（聯(lián)合其它公司）推出了一個(gè)由PC-I2C變異而來(lái)的系統(tǒng)管理總線(SMBus)。它與I2C總線一樣有兩根通訊線，但是加入了低電平選擇并且對(duì)器件對(duì)總線的控制實(shí)踐做了嚴(yán)格規(guī)定。作為系統(tǒng)管理總線(SMBus)發(fā)展的一部分，Intel與其合作伙伴創(chuàng)建了智能電池標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)規(guī)范在SMBus接口頂層增加了一個(gè)協(xié)議，定義了一系列的命令以用于電池包、電池充電器、電池選擇器和主機(jī)之間的通訊。而這些命令和協(xié)議并非必需的，可以選用。

基于MAX1660的智能電池應(yīng)用實(shí)例：

　　MAX1660 是美信公司生產(chǎn)的一種能夠精確測(cè)量流入充電和流出放電系統(tǒng)電池組的電量計(jì)數(shù)芯片，它能將電池電量存入內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的32 位充電和放電計(jì)數(shù)器。它通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)字比較功能，判斷當(dāng)充電或放電計(jì)數(shù)器達(dá)到主機(jī)設(shè)定值時(shí)，中斷主CPU，來(lái)完成主機(jī)設(shè)定得功能。該器件也可以在電流方向發(fā)生變化時(shí)通知主機(jī)，并具備保護(hù)電池組短路及過(guò)流的功能。MAX1660 提供一個(gè)兼容于SMBUSTM系統(tǒng)管理總線的二線串行接口來(lái)訪問(wèn)充電放電量計(jì)數(shù)器和內(nèi)部寄存器，同時(shí)也能夠給主機(jī)提供一條可用作中斷信號(hào)的系統(tǒng)管理總線報(bào)警線SMBALERT。

1. MAX1660 的引腳及功能

　　MAX1660 的引腳排列如圖1 主要引腳功能如下：

　　u INT，中斷信號(hào)漏極開(kāi)路輸出，低電平有效，INT接上拉電阻100k至VL引腳。 u REF，2.00V 精密電壓基準(zhǔn)輸出，REF對(duì)AGND 接10nF旁路電容。 u SHDN，關(guān)斷控制輸入，低電平有效。 u CS，電流檢測(cè)電阻輸入。 u ODI，放電過(guò)流檢測(cè)輸入。 u OCI，充電過(guò)流檢測(cè)輸入。 u VL，3.3V 5mA線性電壓輸出VL對(duì)GND接0.33mF旁路電容。 u BATT，電源輸入。 u ODO，高壓漏極開(kāi)路MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出，ODO控制電池放電信道的開(kāi)/關(guān)。 u OCO，高壓漏極開(kāi)路MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出，OCO控制電池充電信道的開(kāi)/關(guān)。 u RST，上電復(fù)位輸出，低電平有效RST接上拉電阻100k至VL引腳。 u SDA，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，在SDA和VL 之間接10k電阻。 u SCL，串行時(shí)鐘輸入，在SCL和VL之間接10k電阻。

2.MAX1660的控制、狀態(tài)與讀寫(xiě)時(shí)序

　　MAX1660有一個(gè)16位的狀態(tài)字和一個(gè)16位的控制字，主機(jī)可通過(guò)讀狀態(tài)字來(lái)判斷電池狀態(tài)，寫(xiě)控制字來(lái)控制電池系統(tǒng)。其狀態(tài)字的定義如表1，控制字定義為如表2

表1

表2

　　命令字可分為兩種：一為讀命令，包括讀計(jì)數(shù)寄存器和讀狀態(tài)字；一為寫(xiě)命令，包括寫(xiě)比較寄存器和寫(xiě)控制字。計(jì)數(shù)寄存器需要分兩次讀出，命令字為：0x82（低１６位）、0x83（高１６位）；比較寄存器也要分兩次寫(xiě)入，其命令字分別為：0x00（低１６位），0x01（高１６位）；讀狀態(tài)字和寫(xiě)控制字的命令字分別為：0x84和0x04。需要注意的是：在讀計(jì)數(shù)器時(shí)，當(dāng)前供電狀態(tài)決定了計(jì)數(shù)器中的數(shù)值是充電還是放電計(jì)數(shù)值。而且，更為重要的一點(diǎn)：在讀計(jì)數(shù)器時(shí)兩個(gè)命令必須連續(xù)執(zhí)行且必須先讀低位后讀高位，如果中間夾有其他命令或順序顛倒，在執(zhí)行這個(gè)命令時(shí)Max1660就會(huì)當(dāng)作讀高１６位的命令已執(zhí)行而將計(jì)數(shù)器清零。

3. MAX1660的最大充電和放電電流

　　MAX1660本身不能控制電池充電電流，只能控制最大充電電流值和最放電電流值。它可以通過(guò)以下方法設(shè)定設(shè)定：

　　設(shè)定最大充電電流值：如圖所示,

　　式中 ICHG,MAX即是最大充電電流值 VREF=2.0V。R5選擇1MΩ左右的電阻。

　　1) 設(shè)定最大放電電流值：如圖所示，

　　式中IDISCHG,MAX 為最大放電電流值，R3選擇1MΩ左右的電阻。

4．應(yīng)用MAX1660設(shè)計(jì)電量指示監(jiān)控充電電路

　　本電路是作為一個(gè)便攜式嵌入系統(tǒng)的附屬電源模塊設(shè)計(jì)的,由于系統(tǒng)成本限制，采用用了鎳氫電池。Mam1660即可監(jiān)控鋰電池又可監(jiān)控鎳基電池，而其他類電池監(jiān)控芯片大所為鋰電池監(jiān)控芯片，因此本系統(tǒng)采用Max1660來(lái)搭建系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用查詢機(jī)制，其程序框圖如圖5。

　　系統(tǒng)力求精簡(jiǎn)，用51單片機(jī)控制。單片機(jī)通過(guò)SDA、SCA、INT三根線與MAX1660通訊線用于對(duì)發(fā)出中斷信號(hào)，SCA、SDA分別為的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。利用max1660的數(shù)字比較功能，程序設(shè)定一個(gè)電量值，每當(dāng)電量計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值時(shí)即對(duì)單片機(jī)發(fā)出中斷，從而把單片機(jī)解放出來(lái)。計(jì)數(shù)值與電量的關(guān)系與敏感元件微電阻有關(guān)，微電阻越小則可測(cè)電流越小，但電流分辨率也越小，反之則可測(cè)電流值受限，而電流分辨率增大。

　　系統(tǒng)主要包括兩部分：首先是通訊部分，主要是SMBus總線的驅(qū)動(dòng)程序。這里參考了文獻(xiàn)２中的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序，按照系統(tǒng)需求作了局部改動(dòng)。程序包括啟動(dòng)、停止、發(fā)送應(yīng)答、發(fā)送非應(yīng)答、應(yīng)答位檢查、發(fā)送和接收等共9個(gè)函數(shù)。最后組成兩個(gè)函數(shù)：SMBusReadWord和SMBusWriteWord。通過(guò)這兩個(gè)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)SMBus總線的全部讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)任何SMBus總線器件的控制。這兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)依次為：器件地址，命令字，讀/寫(xiě)內(nèi)容。

　　其次為主程序部分。如圖5所示，當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，由max1660向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)則讀取max1660的狀態(tài)字判斷為何種中斷，各狀態(tài)字的定義如表1，部分中斷功能可通過(guò)控制字關(guān)閉。然后對(duì)各種中斷作相應(yīng)處理。其中當(dāng)前的供電方式可通過(guò)CHARGESTATUS讀出。該位為1時(shí)為充電狀態(tài)，為0時(shí)為放電狀態(tài)。

　　文獻(xiàn)1提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)硬件原理圖，只需在這個(gè)原理圖上作簡(jiǎn)單的拓展即可使用。限于篇幅，無(wú)法將本系統(tǒng)的原理圖詳細(xì)列出，這里只作簡(jiǎn)單介紹：Max1660本身帶有3.3V電源輸出，但由于這里使用了51單片機(jī)必須采用5V電源，因此這一電源沒(méi)有使用，而是在pack+和pack-之間接入7805來(lái)得到5伏的電源，而在用于整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，其電源也應(yīng)從這兩端輸出。

　　電量的顯示最好通過(guò)LCD,調(diào)試階段用LED較好，比較直觀，同時(shí)易于排除問(wèn)題。本系統(tǒng)在調(diào)試階段用P1口輸出電量狀態(tài)指示，LED亮?xí)r表示充電已到該位，各燈逐次點(diǎn)亮，充滿時(shí)全亮，放電時(shí)正相反。

結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹的基于SMBus的智能電池檢測(cè)系統(tǒng)既可用于鋰電池，也可用于鎳基電池，對(duì)電池的要求較低，系統(tǒng)作為便攜式儀器的電源解決方案在實(shí)際應(yīng)用中已得到驗(yàn)證。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，功能強(qiáng)大顯示直觀，能夠與其他功能協(xié)調(diào)工作。隨著各種便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電池的智能化已成為一種必不可少的功能。因此本文所介紹的智能電池系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性