基于ATJ2085的锂电池检测系统设计

作者：时间：2008-01-18来源：网络收藏

摘要: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。于是对于锂电池的检测受到越来越多的重视。该文利用具有自主知识产权的SOC芯片ATJ2085作为主控芯片（MCU）设计兼容USB的便携式设备锂电池的检测系统。该设计方法简单易行，成本低，易于在便携式电子产品中实现。
关键词:锂离子电池；电池保护；便携式设备；电池检测；SOC

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^{[6] [7]}

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。

表1 功能规格表

对应电池电压	对应4Bit读数	对应软硬件动作
0.9	00h	由F/W设置，硬件reset
0.94	01h	…
0.98	02h	硬件产生中断、软件进入standby
1.02	03h	…
1.06	04h	软件空电量显示、（当录音文件小于32M时终止录音）
1.10	05h	软件空电量显示、（当录音文件大于32M时终止录音）
1.22	08h	…
1.26	09h	…
1.30	0Ah	…
1.34	0Bh	…
1.38	0Ch	满电显示
1.42	0Dh	…
1.46	0Eh	…
1.50	0Fh	…

举例如下：

假设VL0>VL1>VL2>VL3，电池电量显示为3格

选VL0=1.30V,即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=0AH，

VL1=1.10V,即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=05H，

VL2=0.98V,即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=02H，

当VBAT>VL0时，电池电量显示为满格；

当VL0>VBAT>VL1时，电池电量显示为缺1格；

当VL1>VBAT>VL2时，电池电量显示为缺2格；

当VBATVL2时，电池电量显示为缺3格，即空格，并闪烁。

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

图1 检测电路

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：

将分压后的值与锂电池实际值进行对应，其电压检测如表2所示：

表2 锂电池电压检测表

2.70	00h	由F/W设置，硬件reset
2.94	02h	硬件产生中断、软件进入standby
3.18	04h	软件空电量显示、（当录音文件小于32M时终止录音）
3.30	05h	软件空电量显示、（当录音文件大于32M时终止录音）
…	…	对应电量显示
…	…	对应电量显示
4.14	0Fh	满电量显示

通过硬件后可以将表2的值对应到表1中去通过调用以下软件流程进行处理。

3.3 软件流程

该检测系统软件设计流程如图2所示：

首先清watchdog，然后通过GPIO_A0检测USB状态，接下来进行充电引脚GPIO确认并开始充电，充电时将GPIO_A0(如检测电路图)寄存器的对应位置高电平，同时利用GPIO_B6进行电池状态检测^[6][7]。当需要对4位ADC寄存器读写数据时，需要设置其端口值参数，通过电池状态检测后，最后将检测到的电池参数通过显示函数显示在LCD上。

其初始化代码如下：

output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)//清watchdog

output8(0xee,input8(0xee)|0x01); //初始化端口参数，开始充电

output8(0xf0,input8(0xf0)0xbf);

output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40);

output8(0xee,input8(0xee) 0xfe);

if((input8(0x50)0x40)!=0x40)

if(!(input8(0xee)0x04)) //防止充电黑屏后拔掉USB不开

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。

参考文献：

[1] 邓绍刚，汪艳等，锂电池保护电路的设计[J]，电子科技2006年第l0期(总第205期)