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基于ATJ2085的锂电池检测系统设计

导读: 锂离子电池能量密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电率低,因此成为目前便携式电子产品的理想电源。但是,由于锂离子电池固有的特性,必须防止过充、过放、过温以提高它的安全性和使用寿命。

  1、引言

  近年来,便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性,迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象,必须在锂离子电池组中安装保护电路[1]。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量,对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案,但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源[5]。如果充放电方法不对,将会导致锂电池发生安全问题,甚至爆炸,故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程[4]。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085来设计锂电池的外围检测系统,该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心, 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外, 还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。

  2、ATJ2085的电池监测的功能的使用

  ATJ2085为LQFP封装,64针脚,采用内嵌式的MCU和24-bit DSP双处理器体系结构,分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编/解码算法的系统级优化,通过数模混合信号技术,在单一硅片上集成了高精度ADC/DAC转换器、USB控制器,实时时钟RTC等。支持USB2.0(FULLSPEED),支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒体播放;支持MTV电影播放;支持JPG、GIF、BMP图片浏览。其系统集成度高,外围应用电路简单,拥有功能完善而成熟的开发工具和环境。

  在ATJ2085中,电池电压从电池电压检测引脚VBATPIN输入,VBAT的电压范围小于3.0伏,所以无论一节碱性电池(1.5V)供电还是两节碱性电池(3.0V)供电,在外部电池供电电压小于3.0伏时外部都无需要加分压电阻。ATJ2085中有一个4bit的ADC,它把0.9-1.5伏之间的电压16等分为:0.90V,0.94V,0.98V,1.02V,1.06V,1.10V,1.14V,1.18V,1.22V,1.26V,1.30V,1.34V,1.38V,1.42V,1.46V,1.50V。当电池电压大于3.0伏供电时,BATSEL接高电平,决定了从VBATPIN脚输入的电压在比较前会被分压。并且A/D变换出来的数值会每2秒一次被记录在IO PORT(D8H).BIT[3:0]里,这样软件就可以读回IO PORT(D8H)中的值,与功能规格表(表1)中的值作比较,来确定要显示的电池电量及采取的动作。很明显ATJ2085能在更多点上监测电池电压。

  另外,当电池的电压低于某个电压时(假设VL2),软件把一些耗电大的电路关断(利用IO PORT控制),如DSP,DAC等等。当VBAT PIN脚上的电压低于LBD PIN脚的电压时,ATJ2085仍会被无条件复位。

  3、电池检测系统设计

  3.1 电路设计

  在本文中检测电路仅仅列出锂电池检测电路的原理图,该设计考虑到了锂电池的过压特性,于是选用SC805电池检测芯片来进行硬件电路的设计。如下图所示,电路图一部分是对于USB充电和过压的保护设计,另一部分为电池电量检测

  正如ATJ2085的电池监测的功能的使用描述一样,需要在电池两端连接电阻R424和电阻R422(理想状态下电阻R424和电阻R422比值应该为1:2)来分压。但是考虑到非理想ADC的量化间隔是非等宽的,这势必导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码,从而造成信噪比的下降;且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同,为了使设计的系统参数尽可能准确,我们需要克服微分非线性量化误差[3]。于是需要调整R424和R422的组值(如图1所示)。

  3.2 电压检测

  ATJ2085内部有一个4 Bit非理想 ADC.作为检测电源电压之用。此4 bit ADC可以根据固件(F/W)设定的电压值,产生LB-和LBNMI-信号。对于锂电池,由于自身特性不可能使产生的电压直接可以达到0~1.5,需要利用如下公式分压:

  4、结束语

  通过该方法设计的锂电池检测系统不仅可以有效防止电池的过压、过充、过放、过温,同时可以智能监控电池的电压状态;该设计方案简单易行,稳定可靠,对于嵌入式系统的设计与研发具有一定的指导意义和实践价值。该方法的创新之处在于不管外接干电池、锂电池还是镍氢电池均可以用该电路设计方法对电池进行监控。

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