基于PS501的智能电池系统

引言

PS501是美国微芯科技公司推出的智能电池管理芯片，适用于2～4节锂离子及锂聚合物电池组，或6～12节镍氢及镍镉电池组，能准确计算出电池组 的剩余容量、满充容量，以及预测电池的可运行时间和充电完成所需要的时间，提供电池监控功能，确保使用安全，先进的电池平衡功能可以延长电池寿命及工作时间。其通信协议符合SMBus 1.1和SBdata 1.1智能电池指令集。

特点和引脚说明

特点

支持2～4节锂电池和6～12节镍电池。

基于PIC18F MCU内核，现场可编程的锂离子/锂聚合物/镍电池电量计量芯片。

遵循SMBus 1.1和SBdata 1.1。

精密的16位Δ-Σ A/D转换，电流测量精度为小于1mA。

18V最大输入电压，电压测量端可直接与电池芯相连接。

可编程I/O用于LED驱动和充放电保护和二次安完保护。

对不同的电池芯，用户可以配置不同的电池模型。

电池容量计量误差小于1%。

先进的放电完(EOD)判断方法。

16KB闪存和256Byte EEPROM。

高精度的内部振荡器。

极低的电源消耗，工作时耗电为200μA，采样模式时为100μA，休眠时仅为0.5μA。

增强型ESD保护能力。

12个通用可编程I/O口，其中2个为高电压(最高18V)开漏输出。

集成和外接温度传感器，实现两个位置温度检测功能。

内置最大平衡电流为8.4mA的电池平衡电路和外部电池平衡控制功能。

引脚说明

PS501采用TSSOP28无铅封装，符合欧盟的RoSH以及各国的环保要求，其引脚排列如图1所示。超小体积的TSSOP封装(7.85mm×10.2mm)可节省PCB的空间，方便地安装于不同尺寸的电池包中，如图2所示。

图1 PS501引脚图

PS501引脚功能简介

PS501内部结构和工作原理

PS501内部结构

PS501的内部结构见图3。

图4 不同温度、不同放电率的放电结束电压3D模型

表1 锂电池放电结束电压查找表

SMBus接口/SBdata命令

PS501包括一个符合SMBus v1.1协议的SMBus通信引擎，目前所有的笔记本电脑与笔记本电池的通信都遵循这个通信协议。SMBUS是I2C通信协议的一个子集，使用带有I2C 通信接口的处理器或者用软件模拟I2C通信接口的方法，都可以很容易地读取PS501的SBdata数据，应用到不同的电子产品中。

精确的集成时基

PS501带有一个高精度硅振荡器，无需外接时钟振荡器即可进行自放电定时和容量计算的精确定时。这个内部硅振荡器在电池组生产时可以由用户进行校准。

温度检测

当PS501紧靠被监控的电池时，可采用片内集成的温度传感器以减少器件数目，用户也可选择通过器件提供的引脚外接热敏电阻进行温度监控。同时PS501可以支持内外两个传感器分别进行采样，监测两个不同地方的温度，并可以通过GPIO做出不同条件的温度保护。

通用I/O

PS501提供12个可编程数字输入/输出引脚。其中8个引脚可用作LED输出以显示充电状态(SOC)，或直接控制外部充电 电路，或为锂离子电池组提供额外的安全保护。当然，它们也可用作通用输入/输出引脚。在这些引脚中，有两个I/O是开漏输出引脚，因此可用于直接驱动 FET或其他高电压应用。

在PS501内部提供的最大8.4mA平衡电流不足以满足大容量电池包的平衡功能需要时，PS501可以通过通用 I/O控制外部的平衡电路，实现用户自定义大小的平衡电流控制。此外通用 I/O还可以用作电池低容量工作时驱动蜂鸣器作低电量声音提示。

工作模式

PS501有4种工作模式：运行模式、采样模式、低电压休眠模式和闲置休眠模式。每种模式都有特定的进入和退出条件，四种模式的功耗各不相同。

运行模式：PS501在电池组在充电或放电的过程中工作在这种模式。

运行模式是功耗最大的工作模式。在运行模式中，一个测量周期内所有测量和计算进行一次。在每个测量周期，依次对电流、电压和温度进行测量。例如：当笔记本电脑在工作或充电时，PS501的工作电流为200μA。

采样模式：PS501在电池组既没有充电也没有用电的情况下进行采样模式。

采样模式中，充电状态的计算、SMBus请求等操作仍将按照正常运行模式的频率进行，不同的是每隔多个采样周期才进行一次测量。器件总功耗得以显著降。例如：笔记本电脑在关机时, PS501的工作电流为100μA。

低电压休眠模式：电池组电压测量值低于用户的预设数值时，器件进入休眠模式。

处于休眠模式的PS501不再进行测量和计算。电量计显示器不工作，SMBus上的通信被忽略，只有当满足了唤醒条件时器件才可退出休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式之一，用于电池彻底放电后保存电池能量，此时PS501的工作电流可以低至1μA。闲置休眠模式：对于需要长期储存的