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ELECT RONIC PRODUCTS CHINA MARCH 2005
电源技术
Smart Battery Li Ion Power Management System
微电通导技术有限公司 王大瑞 张志贤
山东经济学院 刘培德山东大学信息工程学院 姜威
一、 引言
Ｉｎｔｅｌ和Ｄｕｒａｃｅｌｌ于１９９５提出了笔记本智能电池的概念－Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ，即把锂电池和管理控制系统结合在一起，本身具有测量、计算、保护、通信等功能，也即我们所说的电池夹。随着Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的Ｗｉｎｄｏｗｓ９８的推出，笔记本的ＢＩＯＳ同Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ实现真正的命令交换，Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ成为真正的行业应用标准。其应用的协议已发展到了ＳＢｄａｔａ １．１（数据协议）和ＳＭｂｕｓ２．０（总线协议）。本文介绍的管理系统使用测量和保护芯片Ｘ３１００同ＭＣＵ配合，完成各种参数的测量、电 量的计算、电量的平衡、智能充电管理、通信和保护功能等。本文介绍了硬件的实现和软件的设计，以及Ｘ３１００的特性和相关控制软件程序。二、 系统硬件实现
Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ系统是一个完整的小型智能系统，特定的应用要求其必须有完备的保护措施和高精度的测量、计算和稳定可靠的控制功能。本系统的硬件使用功能强、集成度高的芯片，尽量减少外围组件，降低成本，提高系统可靠性。系统的硬件框图如图１所示。系统
包括电池组、平衡电路、Ｘ３１００、控制ＭＣＵ、检测器件、控制ＦＥＴ和外围接口组成。
Ｘ３１００的稳压电路提供系统的稳定工作电源；其独立测量每节电池的电压，测量电阻两端的电压，并向ＭＣＵ输出测量结果。通过ＭＣＵ的设定，其具有独立的过压、欠压、过流（短路）保护功能。在ＭＣＵ的控制下，其控制充、放电ＦＥＴ
和平衡电路的动作。
平衡电路由电阻和控制ＦＥＴ组成，在对某节ｃｅｌｌ平衡时，形成旁路电流，从而实现各电池的充电电流不同，达到平衡目的。
ＭＣＵ是系统的核心控制部分，完成各种计算、控制功能。它通过控制接口，控制Ｘ３１００的工作，通过选通不同的通道，获得各电压参数，测量ｃｅｌｌ的温度和
图１ 系统的硬件框图
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今日电子充放ＦＥＴ的温度，并依据Ｘ３１００的电流测量原理计算电流。ＭＣＵ依据电流计算电池的电量，并计算ＳＢｄａｔａ规定的三十几个参数；依据平衡算法，通过Ｘ３１００控制平衡电路的动作；同ＨＯＳＴ进行命令交换，主动广播充电电流和充电电压；依据电池的状态，进行智能充电的控制；依据测量确定Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ自身的状态，进行软件的过压、欠压、过流、温度等的保护。
通过软件接口设定各初始参数和保护的阈值，并放入ＥＥＰＲＯＭ中保护；同时保护各过程参数。
因此本系统是由前端的Ｘ３１００和控制ＭＣＵ组成，具有完备的功能和双重保护。下面重点介绍Ｘ３１００的功能特性和系统软件控制。三、 Ｘ３１００芯片介绍
Ｘ３１００是美国Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司新推出的３／４节锂电池保护和检测ＩＣ。具有功能强大、外围元件少等优点。其管脚如图２所示。
１． 特性
（１） 有精确的稳压电路。（２） 集成ＦＥＴ驱动电路。（３） 电池电压和电流检测功能。（４） 集成４Ｋｂ ＥＥＰＲＯＭ。（５） 具有多种工作模式。（６） 平衡电路控制。
（７） 独立的保护动作功能，保护阈值可设定。
（８） 低压禁充保护功能。２． 参数测量
Ｘ３１００独立测量每节电池的电压，如Ｖ１＝Ｖｃｅｌｌ１－Ｖｃｅｌｌ２。电流的测量是通过测量连接于ＶＣＳ１和ＶＣＳ２之间的电阻压差实现的。其内部采用高效的差分电路，并通过正向和反向两次测量，滤除电路的误差影响，还可以通过ＭＣＵ设定不同的电路增益，从而获得非常高的测量精度。
其电流的计算公式为：
３． Ｃｏｎｆｉｇ设定
Ｘ３１００有一个Ｃｏｎｆｉｇ寄存器，存放设定值，包括过充保护电压值、过放保护电压值、过流保护值和低压禁充的设定值。每个值有四种选择，由两位指示。其位于ＳＲＡＭ内，通过特定的命令，把其值写入对应的ＥＥＰＲＯＭ保存，重新上电时，会从ＥＥＰＲＯＭ读入ＳＲＡＭ中。
４． 控制寄存器
Ｘ３１００／０１具有位于ＲＡＭ内两字节的控制寄存器，包括对充、放ＦＥＴ和平衡电路的控制及电流测量增益控制。ＭＣＵ通过向该寄存器写入控制字节，可以控制ＦＥＴ的状态和电流测量增益。
５． 状态寄存器
Ｘ３１００有单字节的状态寄存器，指示其本身的工作状态。可以由ＭＣＵ读取。
６． 测量通道选通
ＡＳ０～ＡＳ２线的不同状态控制Ｘ３１００内部Ａ／Ｄ通道，并在ＡＯ端输出。
７． ＦＥＴ动作
Ｘ３１００自身根据Ｃｏｎｆｉｇ的设定进行状态监视，如出现保护条件，将会自动进入保护状态，关闭相应的ＦＥＴ。但其ＦＥＴ关闭后则需要ＭＣＵ的命令才能打开。如软件保护状态发生，其会根据控制寄存器的命令操作ＦＥＴ。
８． 工作模式
Ｘ３１００具有多种工作模式，适应不同的需要和降低功耗。并具有完善的Ｓｌｅｅｐ和Ｗａｋｅｕｐ机制。
９． 高速ＳＰＩ通信
其通过ＳＰＩ接口与ＭＣＵ进行命令和状态的交换以及对其ＥＥＰＲＯＭ的操作。时钟最高可达３．３ＭＨｚ。
１０． ＥＥＰＲＯＭ
其内部的ＥＥＰＲＯＭ可以通过字节或页的方式操作，并可选择８种不同方式之一进行锁定保护。四、 系统功能软件实现
本系统软件采用功能化、模块化的设计。根据系统工作的要求，对各个参数采用周期性测量的方式，对各个功能模块也进行周期性处理。整个系统的电量以及相关的各个时间参数的计算都是以实时电流为基础的，为了提高参数的精度，电流的测量周期较小；电压和温度的周期相对可以稍大一些。
系统软件首先设置一个定时器，作为周期性测量和处理的基准。主程序流程如图３所示。
程序的核心是循环的主程序处理部分。包括参数测量模块、数据计算模块、通信模块、状态处理模块、控制处理模块、时间处理模块等功能处理模块。下面主要简要说明各模块的功能及实现。
图２ Ｘ３１００管脚图
（Ｖｃｓ２１－Ｖｃｓ１２）
２ × 增益 × 测量电阻值电流＝
图３ 主程序流程图
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１． 测量模块
测量模块是系统的主要模块之一，包括对电流、电压、温度等参数的测量和系统对这些参数的校准处理等。ＭＣＵ通过设定Ｘ３１００的ＡＳ０～ＡＳ２状态，选通不同的ＡＯ参数输出，然后通过自身的Ａ／Ｄ电路，获得测量数据。然后经过相应的计算处理，得到测量数值。其中电流的测量要求很高的精度，又涉及充／放双方向测量和增益控制，过程较为复杂。每次需要测量充、放两个数值并获得差值，检查是否需要改变测量的增益和增益是否已达最大或最小；如果能够改变，则调整增益并写入Ｘ３１００的ｃｏｎｔｒｏｌ寄存器并重新测量。过程框图如图４所示。
２． 数据计算模块
该模块完成系统的所有计算功能。根据测得的电流按照测量采样的时间换算为电量单位（ｍＡ），根据是充电过程还是放电过程，进行电量的增或减运算，记录系统的实时当前电量。按照ＳｍａｒｔＢａｔｔｅｒｙ Ｄａｔａ 协议计算其规定的所有参数命令，包括百分比参数和时间参数等。
计算完成系统运行的Ｃｙｃｌｅ参数，在系统重新自学习自身的实际最满电量ＦＣＣ（ｆｕｌｌ ｃｈａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）时，完成学习的计算并存储。
３． 通信模块
Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ系统使用ＳＭＢｕｓ总线同Ｈｏｓｔ和Ｃｈａｒｇｅｒ等进行通信，交换命令参数。 ＳＭＢｕｓ（ＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｓ）总线是系统不同器件间通信的一种总线，笔记本计算机内部即采用此总线。它是基于Ｉ２Ｃ总线的一种改进型，包括数据线和时钟线，数据格式的定义也基本同于Ｉ２Ｃ总线。
本系统控制ＭＣＵ的硬件部分，采用中断方式，完成通信任务。支持字数据的读写和块数据的读写。允许对一些参数的写入和所有参数的读取，并在需要时主动广播充电电压、充电电流和警告信息。
４． 状态处理模块
系统根据测量和计算的数据以及读取的Ｘ３１００的状态，进行自身状态的处理和电压、电流、温度等的保护状态的判定和释放。软件中经常比较最低电池电压和最高电压及总电压，平衡处理中也需比较各个电池的电压差值问题，本模块首先使用排队算法，对电池电压进行排队标记，
方便比较的处理。ＳＢｄａｔａ中的命令０ｘ１６是ＢａｔｔｅｒｙＳｔａｔｕｓ（），其每一位都
为一个状态指示，包括充／放指示、充满指示、禁充指示、温度警告指示、过放指示等，本模块也完成对其的具体处理。
５． 控制处理模块
本模块在前面各个模块的测量、计算和处理的基础上，进行系统的控制操作，包括智能充电控制、平衡控制、ＦＥＴ控制和智能电量调整控制等。智能充电
控制是软件根据锂电池的充电特性，控制脉冲、恒流－恒压方式的转换，实现最佳的充电方式和充电效果。
软件通过平衡算法，不断检测各电池之间的差异，当满足平衡条件时，即启动平衡控制，通过硬件的平衡电路对有差异的电池进行平衡。保证电池的一致性，提高整个电池包的容量和使用寿命。本系统采用了滑动窗口平衡算法，限于篇幅不再详述。
本模块通过与Ｘ３１００的通信，完成对充电ＦＥＴ和放电ＦＥＴ的控制。
６． 时间处理模块
本模块集中处理系统使用的各种时间计算。系统自放电的时间计算、各种保护判断的延时计算、控制的时间计算等。五、 结束语
锂电保护芯片本文介绍的基于Ｘ３１００的ＳｍａｒｔＢａｔｔｅｒｙ锂电管理系统是便携设备的一部分，现在主要使用于笔记本电脑。硬件的简洁设计和完善的保护措施配合软件的完善、强大的功能，使本系统具有使用器件少、成本低、运行可靠、功能完善、保护全面等特点。该Ｓｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ系统目前已经在ＩＢＭ、ＳＯＮＹ等品牌的几个型号的笔记本电脑上使用，工作完好。图４ 过程框图
的操作频率而且降低损耗，这将有助于为一个指定的电源提供更小的变压器。总结
很明显，线绕变压器已经越来越不适用于ＤＣ／ＤＣ转换器和其他应用中。其
大体积、低效率和不能满足组件重复性
的困难意味着它们正在被新技术所取代。嵌入式和独立式平面变压器有他们各自的优点和缺点，设计中选择哪一个取决于应用需要。抽头次级（或主级）变压器时一个创新，它可提供一些优于传
统设计的优点。再一次强调，具体的应用才是决定采用哪种设计的关键因素。
未来，从磁性变压器转移到声学变压器的发展将产生出一些令人振奋的新产品，而且ＤＣ／ＤＣ转换器设计者的选择会越来越多。
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