锂离子电池组充放电保护和容量均衡控制电路X3100／X3101应用

1. 概述

　　X3100用于四只串联单体锂离子电池保护和容量均衡，X3101用于三只串联锂离子电池组保护和容量均衡。这两种器件内部都具有过充电、过放电和过电流保护及延时电路、EEPROM存贮器、稳压器、控制充放电和电压均衡的外接MOSFET的驱动电路、结构寄存器、控制寄存器、状态寄存器、模拟多路转换开关和SPI串行接口等如图1所示。

图1　X3100／X3101内部结构框图

　　过充电、过放电和过电流门限值存贮在内部EEPROM存贮器中电池的种类和参数也可写入该存贮器，组成数字化电池组。各种保护门限值都可利用3MHz的SPI串行接口通过软件独立选择，同时利用外接电容器可以改变各种保护的延迟时间。

　　利用内部模拟多路转换开关，通过外部带有A／D变换器的微控制器，X3100／X3101允许从器件外部监控单体电池的电压和电流（利用电流采样电阻），该控制器的软件可算电池组的现有容量，同时利用软件还可实现单体电池电压均衡等功能。

　　X3100和X3101内部含有一个电流采样放大器，该放大器可选增益为10、25、80和160。这样利用外部10位A／D变换器获得的分辨率高于昂贵的14位A／D变换器。

2. 工作原理

　　X3100和X3101可实现单体锂电池保护，它具有两种不同的工作状态。

　　首先，在正常工作状态下，该器件周期地检测每个单体锂电池的过充电和过放电状态，同时还连续监控电池组的过电流状态。各种保护状态的门限值可由用户通过软件来选择。达到某个保护门限值时，放电控制MOSFET、充电控制MOSFET或充放电控制MOSFET立即关断，从而保护电池组。在过放电状态下，X3100和X3101进入低功耗休眠状态，从而节省电池的能量。在休眠状态下，内部稳压器关断，停止对微控制器供电，这样可进一步减小电池组的供电电流。

　　另外，在监控状态下，带A／D变换器的微控制器，通过模拟多路转换器输出脚 AO和X3100或X3101内部的模拟多路转换器MUX测试每只单体电池的电压和电池组的电流。该器件可实现过充电、过放电保护、电池组内各单体电池容量均衡，电池组现有容量计算等功能，用户利用软件算法，可以使设定门限值满足各种锂电池的要求和所用单体锂电池的要求。为了监控这些电压，所有保护电路均连续工作。

　　在典型应用电路中，为了适应智能电池系统的接口协议，微控制器也应当是可编程的，以便提供SMBus接口。加入这些功能后，由X3100或X3101组成的模块可达到最新的工业电池组标准。

3. 引脚排列

　　X3100或X3101引脚排列如图2所示，各引脚的功能说明如下：

　　VCELL1~VCELL4：单体电池电压输入脚。
　　CB1~CB4：单体电池电压均衡控制脚。
　　VCS1~VCS2：电流取样输入脚。
　　OVT：过充电电压检测延迟时间控制脚。
　　UVT：过放电检测／释放延迟时间控制脚。
　　OCT：过电流检测／释放延迟时间控制脚。
　　AO：模拟信号输出脚。
　　SI：串联数据输入脚。
　　SO：串联数据输出脚。
　　SCK：串联时钟。
　　

：芯片选择脚。
　　OVP／LMON：过充电电压保护／负载监控脚。
　　UVP／OCP：过放电保护／过电流保护脚。

4. 典型应用电路

　　X3100和X3101典型应用电路如图3所示，VT1和VT2分别为放电控制MOSFET和充电控制MOSFET。因为VT1和VT2都是P沟道器件，所以当栅极电压为Uss时，VT1和VT2导通，当栅极电压为Ucc时，VT1和VT2关断。放电MOSFET用于控制电池组放电，而充电MOSFET用于控制电池组充电。当放电MOSFET关断时，电池组的充电电流流过二极管VD1 。当充电MOSFET关断时，电池组的放电电流流过二极管VD2。VD1 和VD2集成在功率MOSFET VT1和VT2内部。应当说明，当充电MOSFET和放电MOSFET都关断时，电池组既不能充电，也不能放电。

　　电源电压通过二极管VD6和VD7加到X3100或X3101的Vcc脚。这样在正常工作状态下，X3100或X3101由锂离子电池组供电。当电池组充电时，X3100或X3101由外部电源（比如充电器）经P+脚供电，因此VD6和VD7的电压和电流额定值必需满足电池组充放电的要求。

　　稳压器的工作原理将在“稳压器”一节中说明。该稳压器输出5V±0.5％电压。接在RGO脚与接地脚之间的电容C1可以对RGO输出电压滤波。C1可选用0.1μF或更小的电容器。当X3100或X3101进入休眠状态后，C1的容量应保证稳压器输出电压URGO在170ms以内降低到0.1V。如果衰减时间较长，C1两端可并联电阻R1。

　　在导通周期开始时(tPUR+tOC)，稳压器输出电压必须稳定在5V±10％,选择微控制器时，应当考虑稳压器输出电压的变化，导通周期结束时，稳压器输出电压应当稳定在5V±0.5％，这样，稳压器的输出电压，可作为微控制器中A／D变换器的基准电压。

　　利用热敏电阻RT和普通电阻R,T组成简单的电阻分压器，可以采样电池组的温度。热敏电阻两端电压UT加到微控制器内的A／D输入端，用来测试和监控电池组的温度。选择RT时，应当考虑热敏电阻RT的动态电阻变化范围以及微控制器A／D输入端输入电压的范围，微控制器的输出可以用来接通热敏电阻分压器并且周期地接通温度采样电路，这样，热敏电阻分压器中就没有连续电流流过，因此可减小电源的功耗。

　　接入二极管VD3便于在过流保护状态下监控负载的变化，同时，在正常工作状态下，可防止电流流入OVP／LMON脚。在休眠状态下，N沟道MOSFET关断，这种功能消失。

　　电阻RPU接在充电控制MOSFET（VT2）的栅极和漏极之间。放电控制MOSFET（VT1）被X3100或X3101关断后，OVP／LMON脚的电压将达到最大值，其值等于电池组的端电压减去正向偏置二极管的电压降（UP+－UVD7）。因为充电控制MOSFET（VT2）的漏极接有较高的电位（UP+），所以当OVP／LMON脚电压为Ucc时，为了确保充电控制MOSFET完全关断，必须接入阻值为1MΩ的上拉电阻RPU。

　　X3100或X3101的单体电池电压监控输入脚VCELL1到VCELL4的外接电容和电阻，组成低通滤波器，用来消除电压监控输入脚的干扰信号，这些干扰信号包括：