基于ATJ2085的锂电池检测系统设计
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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VBAT<VL2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)
[2] 陆安江,张正平,唐薇, 兼容USB的便携式设备锂电池充电电路设计[J],2007年中国仪器仪表交流论文集，2007
[3] 刘京南，电子电路基础[M]，电子工业出版社，2003年7月
[4] 上海东钜电子有限公司，现代锂电保护IC 的特点和应用[J]，电子设计应用，2003
[5] 李凯，张斌，一种新型智能动力锂电池组能源管理模块[J]，微计算机信息 2006年第9-1期
[6] Actions ATJ2085 Data sheet Version 1.0, 2004
[7] Actions ATJ2085 Programming Guide, Version 2.7 ,2004
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