符合SMBus2.0协议单节智能锂电池系统的设计

2.2 安全保护

　　图3为本系统的电池保护电路，主要采用理光(RICOH)的R5421N111C和用于电源开关、低导通电阻的N沟道场效应管S-19926构成锂电池保护电路，实现过充、过放、过电流和短路保护等功能。

在正常状态下电路中U2的"Cout"与"Dout"脚都输出高电压，两个MOSFET(Q1、Q2)都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电。由于MOSFET的导通阻抗也很小(＜30mΩ)，因此其导通电阻对电路的性能影响也很小。

　　当电池电压超过4.28V(过充)、低于2.5V(过放)、场效应管两端的电压大于0.1V(过流，具体数值是根据场效应管导通电阻及相关公式计算而得)或场效应管两端的电压大于0.9V(短路时，该值由控制IC决定)时，芯片通过对两个MOSFET的控制，实现对电池的保护[4]。

　　2.3 测量部分

　　为了实现对电池当前各种状态的监测，包括当前电池的充/放电状态、电压、电流、温度、剩余电量、消逝时间等参数的监测，这里采用智能电池检测芯片DS2438来完成。

　　DS2438芯片是DALLAS公司推出的新一代智能电池监测芯片，具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点(通过一线与单片机进行数据指令通信)；内含数字温度传感器对电池温度进行测量；片内模数转换器对电池电压进行监测，从而可判定充电和放电的结束；片内的积分电流累加器可实时记录电池流入、流出电流的总量，便于统计电量；内含记录相对于内部基准时间的电池充电完毕、其脱离系统的精确时刻消逝时间表；内含40字节可用于存放电池特殊参数的掉电保护的用户访问存储器[5]。

　　2.4 计算通信部分

　　计算通信部分使用Silabs公司的低成本单片机C8051F305，它具有采用流水线指令结构的高速8051微控制器内核、256B RAM、2KBFlash存储器、8个I/O口、标准SMBus串口、采用3V供电、功耗低[5]。

　　采用单片机系统对DS2438的数据进行读取、运算、存储，通过标准的SMBus接口对数据和指令与主系统传输，同时多余的I/O口用来控制电源的开关等其他功能。

　　3 软件设计

　　软件编写主要采用模块化的方式，编译环境Keil 7.50 完成C51的编程。这里主要介绍对智能电池系统协议SBData的定制和对DS2438的读写控制。

　　3.1 智能电池系统通信协议的定制

　　SBData1.1协议规定了34个数值[6]。该系统根据需要做出修改，只占用22个数值，在实际应用中可以根据所需数据进行读取，同时也可以将冲放电控制策略应用于系统，对智能锂电池系统起到软保护的作用。这些数值都是通过DS2438测量或预先定义存放在C8051的Flash存储器中，主系统通过SMBus或用I/O口模拟I2C时序，向智能电池系统发送命令码，获取所需的值。智能电池数据功能表如表1所示。具体值的定义由于篇幅限制这里不做介绍。

3.2 DS2438的读写控制

　　3.2.1 供电方式的测量

　　首先单片机控制DS2438使其电流A/D转换器使能，而后DS2438对流入、流出电池块的电流自动进行测量，结果存放于电流寄存器中。电流寄存器的高字节的高6位是流入电池电流的符号位，为1表示电池正在充电；为0表示电池正在放电。单片机对电流寄存器的值的高6位进行判断就可获得供电方式，同时也获得电流值。供电方式测量程序流程图如图4所示。

3.2.2 电池电压、温度、剩余电流的测量

　　要获得电池的电压和温度，只需要由单片机对DS2438发出采集电压、温度的控制命令，然后等待其采集完毕并自动将电压、温度测量值存入相对应的寄存器后，再由单片机读取寄存器的内容即可。在读取寄存器值时，注意只有当数据线为高电平时，才能正确地读取。其程序流程与图4类似。

　　电池的剩余电量可用电流积分累加(ICA)寄存器的值求得。只需单片机读出ICA寄存器的值，然后将读出的值代入公式：剩余电量=ICA/(2048×RSENS)，便可得到电池的剩余电量。

　　该智能电池系统引入了国际标准，具有笔记本智能电池系统的优点。在实际应用中该系统改进了便携式电源的管理；延长了电池的工作时间；确保了安全温度内的充放电；缩短了充电时间；可选用多种商家的电池；易于升级，为便携式仪器提供了很好的解决方案。

　　参考文献

　　1 Friel D. SBS简化便携式电源系统设计.电子工程专辑，1999；(6)：26～30

　　2 Fukatsu S, Dunstan R. Smart battery system manager specifi-cation revision 1.0 www.SBSIF.org,1998-12-04～12

　　3 郭海帆,宣宗强.基于DS2438芯片的智能电池监测系统.今日电子,2003;(9)：32～34

　　4 The datasheet of R5421NXXX series NO.EA-069-0006.www.dianyuan.com,2002-10

　　5 童长飞.C8051系列单片机开发与C语言编程.北京：北京航空航天大学出版社,2005

　　6 PS501现场可编程单电池管理. Microchip Technology Inc,2004:25～29