DS2770電池監測充電控制器的介紹及應用

　1概述

　　DS2770電池監測器和充電控制器能完成電池維護所需的各種功能，和主系統處理器使用時，DS2770能完成充電、剩余電量估算、安全監測、永久數據存儲等功能。它有獨特的ID、數字溫度檢測器、測量電池電壓電流的A/D變換器、控制電池電流流入流出量的集成電流累加器、耗時計時器、重要數據存儲器及可對鋰電池和鎳氫電池充電的控制器。電流測量通過25mW的集成電阻或外部檢測電阻完成，電流、電壓和溫度的精度能滿足電池充電控制和安全的需要，用戶可選用脈沖技術對鋰電池充電或d T/dt技術對鎳氫電池充電，此外，為了更安全便利，還有可編程的充電定時器和電池低壓恢復功能。處理器和DS2770用一線接口來傳遞信息。因此DS2770僅需四個輸出連接：電池功率、充電電源、接地和一線接口。同時DS2770還有EEPROM和SRAM存儲器用于電池信息存儲。EEPROM存儲重要的電池數據；SRAM存儲臨時數據。

　　2內部結構及引腳功能

　　DS2770采用16腳TSSOP封裝，引腳排列如圖1所示。

　　DS2770引腳功能如下：

　　腳1(UV)：電池欠壓檢測輸出。電池電壓低于最低電池電壓閾值(VLB)，該腳以小充電率給電池充電。
　　腳2(CC)：充電控制輸出。電池電壓大于或等于VLB，該腳控制電池的充電。
　　腳3(VCH)：充電電源輸入。充電電源接此腳，DS2770測量后再決定是否充電。
　　腳4、5、6(SNS)：檢測電阻連接。接電池組的負極，用內部檢測電阻時，檢測電阻接在VSS和SNS之間。
　　腳8(IS2)：電流檢測輸入。用10kW電阻把引腳接到SNS，IS1和IS2之間接0.1mF的電容完成低通濾波。
　　腳9(IS1)：電流檢測輸入。用10kW電阻把引腳接到VSS，IS1和IS2之間接0.1mF的電容完成低通濾波。
　　腳11、12、13(VSS)：元件接地。直接接電池的負極，對外部檢測電阻方式，檢測電阻接在VSS和SNS之間。
　　腳14(DQ)：數據輸入／輸出。用1-線數據線。開漏輸出激勵器，引腳接電池組的DATA端。引腳有用于檢測電源斷開的內部下拉。
　　腳15(VIN)：電壓檢測輸入。通過輸入引腳監測電池的電壓。
　　腳16(VDD)：電源輸入。用于DS2770的輸入電源電壓(2.7～5.5V)
　　腳7和10(NC)：空腳。

　　3功能及應用

　　3.1電源方式

　　DS2770有兩種電源方式：有源模式和睡眠模式。在有源工作模式，DS2770連續測量電流、電壓、溫度和時間，而且有電流流量累加和充電控制。主系統可采用此數據。僅當狀態寄存器的PMOD設為1及以下情況出現時，DS2770才進入睡眠模式：

　　CINI設為0，DQ線保持低電平超過2秒。如果在充電，則充電立即停止。

　　CINI設為1，DQ線保持低電平超過2秒。如果在充電，則充電完成后進入睡眠模式。

　　而以下情況出現，DS2770進入有源工作模式：

　　DQ線為高電平。

　　CINI設為1時，VCH的電壓大于VDD。

　　一旦DS2770識別出DQ低電平超過 2秒，就進入睡眠模式，電源電流降到ISLEEP將用時11 秒。當給VDD加電時，DS2770默認為有源工作模式。

　　3.2充電功能

　　DS2770可單獨作為支持對鋰電池和鎳氫電池充電的控制器工作，充電的電池類型通過狀態寄存器CTYPE選擇(0用于鋰電池，1用于鎳氫電池)。兩者的充電控制是通過外部直流或限流充電電源的開/關選通完成，如果電池電壓低于 VLB且有充電電源，腳UV降為低電平，在快速充電開始前，要以小充電速率恢復電池電壓，在圖2應用電路中，UV通過一個360 W的串聯電阻限制涓流充電電流。電阻的選擇取決于充電電源。UV 降為低電平與電池組的狀態(如電池溫度和CINI)無關，電池電壓達到VLB時，UV升為高電平。當涓流充電時，狀態寄存器的CSTAT1和CSTAT0被清零，相應地用0、1值表示充電。

　　通過下列方式之一可開始快速充電：

　　發出開始充電命令(B5h)；

　　狀態寄存器的CINI設為1時，VCH腳上有充電電源。

　　注：如果VDD低于1.8V，電池涓流充電達到VLB，開始快速充電。充電開始后，有下列情況出現，快速充電推遲：

　　充電溫度超過TCL(0°C)和TCH(40°C)；

　　VCH小于VDD；

　　轉換數據無效；

　　電池電壓低于VLB(3.0V)。

　　以上狀況消失后，低電平CC腳開始快速充電，在快充期間，CC保持低電平，僅在周期性的測試充電電源是否過早斷開時，CC每55ms有約27ms升為高電平。只要充電電源未斷開，溫度在有效范圍內，充電就以CTYPE所選方式進行。如果充電電源斷開或發出停止充電命令(BEh)，CC升為高電平，而且充電也要重新開始。如果 DQ線保持低電平大于2s，且CINI設為0，充電停止。快速充電期間，狀態寄存器的CTTATI和 CSTAT0相應地用0，1表示；充電完成，CSTAT1和CSTAT0用1，1表示。充電狀態鎖存時要清零。一旦充電完成或失敗，DS2770可進入睡眠方式或保持有源工作。

　　3.3鋰電池充電

　　鋰電池的快速充電分兩步完成，當電池電壓低于充電電壓閾值VCV時，通過控制充電電源的電流對電池進行大電流充電，CC腳一直保持低電平，激勵pnp或p溝道MOSFET開關。當電池電壓達到VCV，則采用脈沖充電技術，在CC變為高電平后，允許CC保持tVCV時長(875ms)的低電平。當電池電壓又降至VCV以下，CC又變為低電平。由于CC占空因數變化慢，脈沖充電持續進行，電池電壓衰減時間超過13.125s，充電停止。充電衰減時間包括875ms的低電平時間和時間為14s的15個周期的高電平，平均充電率是設置充電率的1/16。

　　3.4鎳氫電池充電

　　在鎳氫充電期間，通過UV和CC引腳控制電池的充電電流，由于電池達到3.0V，會出現從涓流充電向快速充電的轉換。三節電池的鎳氫電池在每節為1V時就開始快速充電。雖然分壓器會影響電壓測量寄存器中的數值，但它可用來調節大電壓電池的轉換點。快速充電開始后，DS2770用最新的溫度測量值來確定適當的d T/dt。如表1，為了避免由于I2R的發熱造成錯誤的d T/dt檢測，在第一個五分鐘的溫度變化率無效，五分鐘后，用表1中的一個初始變化率開始dT/dt檢測。芯片內則平均溫度測量寄存器的值來確定溫度上升的變化率。在鎳氫電池數據的基礎上表1列出實際的變化率，它是負載上的瞬時dT/dt變化率。

DS2770用最新的溫度測量值來確定適當的d T/dt 3.5輔助充電裝置

　　芯片有兩個輔助充電裝置，如果電池超過最大充電溫度或充電定時已到，則充電停止。狀態寄存器的CSTAT1和CSTAT0都置為1，表明充電完成。最大溫度閾值為TMCT(＋50°C)，充電期間，若測量的溫度超過TMCT，充電停止。在充電定時寄存器(CTR)中可設置最大充電時間，快速充電開始時CTR可預置初值，快速充電期間，CTR每56秒計數一次地減少，如果CTR減少到零，充電停止。由于CTR是被寫入的，要修改最大充電時間，可在充電時任一時間重新寫入CTR的值。CTR的格式如下，地址為06。

　　3.6電流測量

　　在有源工作方式中，通過測量電流檢測電阻上的壓降，DS2770連續地測量流入流出電池的電流，DS2770有兩種方式：內部25m歐姆檢測電阻和外部用戶選擇檢測電阻。在任何一種方式中， DS2770都是把引腳IS1和引腳IS2的電壓差(VIS＝VIS1－VIS2)作為檢測電阻的電壓降。正的VIS值表明電池在充電，而負的 VIS表明電池在放電。當用外部檢測電阻時，為了保證電流測量電路的正確工作，電阻的一端必須直接接VSS(電池的負端)。 VIS是用15比特的精度測量的，電流寄存器中的測量值每3.52秒更新一次。電流寄存器的電流值是3.52秒內的平均值，以下為電流寄存器格式，地址為0E和0F。

電流寄存器格式

　　對內部檢測電阻方式，DS2770以安培為單位，用總值為0.048A精度為62.5uA的電流寄存器，當報告電流值時，DS2770自動補償內部電阻的變化和溫度效應。對外部檢測電阻方式，DS2770是把測量的 VIS電壓寫入總值為1.2mV精度為1.56mA的電流寄存器。

　　3.7 電流累加器和偏差補償

　　通過記錄電池凈流入流出電流，電流累加器可以估計剩余電量，電流流入電池則累加器增加，而流出電池則累加器減少，數據存儲在電流累加寄存器中，電流累加寄存器格式如下，地址為10和11。

電流累加寄存器格式

　　當使用內部檢測電阻，DS2770以安培時為單位用精度為250uA總值為±8.19Ah的電流累加器。當用外部檢測電阻，DS2770以電壓時為單位用精度為6.25uVh總值為±205mVh的電流寄存器。電流測量和電流累加是為減少元件溫度和電源電壓變化引起的誤差而在內部對偏差的補償。

　　偏差補償至少每小時一次精確到LSB。此外，為了校正由于電路布局引起的電流測量或電流累加誤差所造成的誤差，電流偏差寄存器有用戶編程的恒流偏差值。隨意地應用恒流偏差值會使電流測量不準確或造成室溫下自放電，電流偏差補償值存儲在EEPROM的32h和33h地址處，因而，正值(0001h到7fffh)在放電時會使電流測量和電流累加出現偏差，以下為電流偏差補償寄存器格式。

電流偏差補償寄存器格式