用于便攜設備的電池管理解決方案

電池管理的重要性已經(jīng)不言而喻。越來(lái)越多的產(chǎn)品正向便攜的方向發(fā)展，使用戶(hù)獲得空前的獨立。幾十年以前，無(wú)繩電話(huà)最先為人們提供了在家中漫步的自由。而現在，便攜式可充電產(chǎn)品使人們在周游世界的同時(shí)，還能與家人保持聯(lián)系。越來(lái)越多的產(chǎn)品使用充電電池，而隨著(zhù)產(chǎn)品體積的縮小，這些產(chǎn)品的復雜程度也在不斷提高。充電電池本身也在發(fā)生變化，電池制造商努力推出適應快速變化的市場(chǎng)的新產(chǎn)品。電池電壓在增加，外形規格在改變，能量密度也在節節攀升。消費者對電池的了解也不斷深入，他們需要產(chǎn)品具有更大的靈活性、更長(cháng)的工作時(shí)間、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年來(lái)一直致力于借助PIC單片機簡(jiǎn)化系統設計。目前，Microchip正將這方面的技術(shù)應用到電池管理產(chǎn)品線(xiàn)上，以簡(jiǎn)化并更好地管理充電系統。

方法

首先，將一個(gè)典型的電池管理系統劃分為充電、保護、電量計量和安全四個(gè)模塊：

1.充電

基于二次電池的電池組不同于一次電池組，二次電池組在使用后需要充電，而不是象一次電池那樣會(huì )被丟棄。充電電路的種類(lèi)和充電算法多種多樣，它們針對特定化學(xué)類(lèi)型的電池，在其獨特的系統環(huán)境中為其適當地充電。充電器的位置也應適當選擇。充電器是否為獨立單元：是座充還是通過(guò)轉換器的直充;充電器是集成在系統內還是在電池組內;其他重要的考慮因素包括充電時(shí)間、溫度范圍和噪聲要求。Microchip提供多種充電管理產(chǎn)品，可用于單節或雙節鋰離子/聚合物電池組的線(xiàn)性充電器。線(xiàn)性充電器的輸出噪音低，對那些收發(fā)語(yǔ)音和數據的系統顯得非常重要。

對需要高效率低功耗的設計，PS200開(kāi)關(guān)模式充電控制器最高開(kāi)關(guān)頻率可達1MHz。它包含為鋰電池、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。由于開(kāi)關(guān)充電器的設計比較復雜，因此Microchip公司提供了軟件工具，以指導設計人員進(jìn)行IC的配置和電路圖的生成。對提供充電器產(chǎn)品的標準行業(yè)來(lái)說(shuō)，另外一個(gè)解決方案是使用帶充電控制器的電量計IC。PS501帶有脈沖充電電路來(lái)控制通用輸入/輸出，可達到這一要求。這種拓撲提供了一個(gè)非常緊湊而且成本效益高的解決方案。系統的充電部分是隔開(kāi)的，Microchip擁有所需的算法來(lái)優(yōu)化充電，包括最大限度地提高充電能力、縮短充電時(shí)間，并使顧客達到最佳的滿(mǎn)意度。

2.保護

當使用鋰離子/聚合物電池時(shí)，必須提供保護功能，因為過(guò)充或過(guò)熱可引起火災或爆炸。鉛酸電池或鎳電池無(wú)需保護，但也常常為其提供保護電路以防止電池損壞或退化。主保護電路為專(zhuān)用電路，用以檢測是否發(fā)生了不安全狀況，并在檢測到不安全狀況時(shí)關(guān)閉電池組以避免損壞。二次保護電路防止電池在不安全狀況下繼續充電和/或放電。萬(wàn)一主保護電路發(fā)生故障，可復位的二次電路即可提供后備保護。用戶(hù)還可另行增加保護級別，如化學(xué)熔絲，當其他級別的保護失效時(shí)，化學(xué)熔絲可永久關(guān)閉電池組。專(zhuān)用安全IC通常用于主保護電路。對于二次保護和穩定保護電路，電池管理IC是理想的選擇，這是由于它們不額外增加解決方案的成本。Micorchip的電量計，如PS501和PS810，可監控各節電池的電壓、電池組電壓、電流和溫度。通用輸入/輸出(GPIO)引腳具備強大的配置功能，可設置和復位任何可能的電量計條件。這種靈活性使電量計可滿(mǎn)足非常復雜的安全要求。

3.電量計量

電量計量不單是對流入流出電池組的電流進(jìn)行監控。精確的電量計量需要一個(gè)系統方法，綜合考慮典型的使用方式、環(huán)境和客戶(hù)期望。理想狀況下，電池管理IC可向用戶(hù)提供良好的工作性能，同時(shí)向系統提供所需信息，以便其做出智能化選擇從而提高系統性能。智能化電量計量算法可以延長(cháng)系統運行時(shí)間和電池壽命，并通過(guò)精確檢測滿(mǎn)充和滿(mǎn)放點(diǎn)來(lái)提供額外的安全。它們還可探測和避免電池失衡和過(guò)熱等狀況。這些算法可根據系統狀況來(lái)調整，并可以減緩電池老化。它們運用電池行為的可配置模型來(lái)確保正確計算自放電和充電所造成的損耗。這些算法可由客戶(hù)定制，這樣用戶(hù)只接受相關(guān)信息，而不必擔心可導致數據丟失的意外關(guān)機。Microchip的電量計產(chǎn)品具備增強功能，使得電量計量更加可靠。

系統意外關(guān)機是使用便攜設備時(shí)最令人不快的事情之一，大多數人應有同感。它輕則會(huì )降低客戶(hù)滿(mǎn)意度，重則會(huì )引起重要數據丟失和時(shí)間及金錢(qián)的重大損失。意外關(guān)機一般發(fā)生于電池電壓降到支持系統所需的水平以下時(shí)。當負載增加時(shí)，電池電壓會(huì )大幅度降低，尤其是放電行將結束時(shí)，這時(shí)放電曲線(xiàn)的斜率增加。為避免意外關(guān)機，Microchip使用了一種依據系統關(guān)機時(shí)能量需求信息的算法，如下圖所示。電量計自動(dòng)選擇適當的關(guān)機點(diǎn)，以保證有足夠的剩余能量向用戶(hù)發(fā)出警示和保存數據。隨著(zhù)時(shí)間的推移，關(guān)機點(diǎn)也會(huì )變化。隨著(zhù)電池老化，滿(mǎn)充容量下降，放電曲線(xiàn)的電壓也發(fā)生改變。老化算法可調整關(guān)機點(diǎn)以確保能量不會(huì )隨著(zhù)電池老化而被浪費。

4.安全

帶有可拆卸電池組的系統應采用安全措施，防范系統在設計不合理的電池驅動(dòng)下工作。若系統采用非穩態(tài)化學(xué)電池，過(guò)充或過(guò)放都可能造成不安全狀態(tài)。如果不依照制造商的要求而使用穩態(tài)化學(xué)電池，可能導致其性能下降和壽命縮短。目前所使用的是簡(jiǎn)單的機械屏障，如采用獨特的外形規格或連接器，以及從電池讀取的標志位。但可惜的是，這些安全措施很容易被攻破。用戶(hù)真正需要的是一種靈活的系統級解決方案，既可確保用戶(hù)安全、提高系統性能，又能提供長(cháng)期的可靠性。

Microchip為電池驗證提供了一種很好的解決方案，即KEELOQ°加密算法，這種壓縮的64位編碼算法可為各種應用提供經(jīng)業(yè)界證明的安全性，主機和外設都需要具備KEELOQ算法的硬件。今天，KEELOQ算法已被應用于各種安全系統中，如無(wú)鑰門(mén)禁系統(主要應用于汽車(chē)行業(yè))。當使用KEELOQ技術(shù)進(jìn)行電池驗證時(shí)，系統是主機，而電池是外設。系統存儲著(zhù)制造商代碼和一個(gè)隨機數發(fā)生器。當電池制成時(shí)，生成一個(gè)唯一的序列號和密鑰并存儲在內存中，而且不會(huì )被改變。當電池與系統相連時(shí)，系統會(huì )請求一個(gè)序列號并發(fā)送一個(gè)32位質(zhì)詢(xún)。電池會(huì )提供相應的序列號，并給予一個(gè)32位的響應。由于電池管理系統種類(lèi)繁多，Microchip在其電池管理產(chǎn)品和許多PIC單片機產(chǎn)品中都采用了KEELOQ技術(shù)。當在電池組中使用Microchip電量計時(shí)，無(wú)需額外的硬件即可使系統具備安全功能。如果電池組中沒(méi)有電量計，可以使用PIC單片機作為KEELOQ外設硬件。支持KEELOQ技術(shù)的主機硬件包括處理器、電量計和充電器。