精品笔记本电池保护电路知识.docx

精品笔记本电池保护电路知识.docx

《精品笔记本电池保护电路知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品笔记本电池保护电路知识.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

精品笔记本电池保护电路知识

笔记本电池保护电路知识

现在的笔记本电池都是所谓智能（smartbattery）的了，她能告诉电脑：

我现在还剩余多少容量,现在的电压是多少，电流是多少，按现在的放电速率我还能用多长时间，我是否该充电了,充电应该用多大的电流、电压，充电是否充过头了，放电是否放过头了,温度是否过高，等等.电池要提供这些所谓的智能信息，就要在电池中增加一个电路。

这个电路通常都使用现成的专用芯片，如最流行的BQ系列芯片：

BQ2060A，BQ2083,BQ2085，BQ2040等,这些芯片检测流入和流出电芯的电流，算出上面所谓的智能信息。

这个电路还要增加一个功能:

保护功能。

上面说了电路能检测出充电是否充过头了，放电是否放过头了.既然知道充过头了，就要使充电电源充不到电芯上去;放电放过头了，就要切断电芯对外放电.温度过高了,就要是电池停下来。

这就是所谓的保护功能.

最后一个功能就是通讯，电池准备了这些信息，总要发送出去吧。

所以通讯少不了。

按上所说,通常的电池其实主要是检测部分,能检测出来信息，保护功能实现自然简单，无非是开关而已。

当然有的电池将充电部分做到电池里面去了，如COMPAQ笔记本电脑的不少电池都是如此.

先不必看BQ2060是如何检测那些智能信息的，先看BQ2060都检测出了哪些信息?

这些检测出来的信息存放在什么地方了？

在BQ2060的DATASHEET中，有个Table3。

bq2060Registerfunctions，这里存放了BQ2060检测出来智能信息的。

这些信息就是所谓的SmartBatteryData（智能电池数据）,它们都被定义成标准了（见SmartBatteryDataSpecfication）。

BQ2050中检测出来的信息没有这么丰富，它不符合这个标准。

BQ2040，BQ2083，BQ2085都符合这个标准，检测出来的信息也是这些。

下面解释一下BQ2060检测出来信息的意思。

1.静态信息:

静态信息不是检测出来的,而是生产厂家自己写进去的，它一般写在24C01中，BQ2060从24C01中读到它自己里面去。

ManufactureDate，ManufactureName，DeviceName,Devicechemistry,SpecificationInfo，DesignVoltage,DesignCapacity，RemainingCapacityAlarm，RemainingTimeAlarm,BatteryMode.这些信息不言自明。

2。

动态信息：

动态信息中有些是检测出来的，有些是纯粹计算出来的,目的就是免去用户自己计算了.检测的:

Voltage,Current,Temperature,AverageCurrent,RemainingCapacity，FullChargeCapacity,BatteryStatus.计算的：

RelativeStateOfCharge，AbsoluteStateOfCharge,RunTimeToEmpty，AverageTimeToEmpty,AverageTimeToFull，CycleCount。

。

信息ChargingVoltage，ChargingCurrent告诉充电器应该用多大的充电电流给它充电，在多大的电压处应该变成恒压充电。

AtRate,AtRateTimeToFull,AtRateTimeToEmpty,AtRateOK纯粹是帮用户计算信息用的.

3.每个厂家的特定信息：

标准SmartBatteryDataSpecfication之外的一些信息。

这些信息只有5项，不同厂家不一样，对于BQ2060就是VCELL1—4和PackConfigureation。

对于BQ2085，PackConfigureation的意义就和BQ2060不大一样。

4。

ManufactureAccess,标准SmartBatteryDataSpecfication之外，厂家特定的操作，如BQ2060的Seal，读写EEPROM,Calibration等，都是通过它来完成的.

具体每一项信息的意义论坛中有人翻译了BQ2060的DATASHEET，在此不在重复。

BQ2060是如何检测那些智能信息的呢？

简单地说，将是将一个电阻串接到电芯上，检测流过这个电阻上的电流的大小就可以知道充了多少电,放了多少电。

充电充的是电荷、放电放的也是电荷,所以检测电流就知道充了多少电,放了多少电。

至于电压、温度的检测更简单了，用的A/D转换就可以，BQ2060中就是这样做的。

BQ2060检测到信息后就要作出一些判断，如温度是否高了，我是否该充电了,充电应该用多大的电流、电压，充电是否充过头了，放电是否放过头了.电池无论如何也不知道多高温度属于高了，多大电流是过流了，所以，人为地先设定个标准,这样电池就可以判断了。

这些标准生产厂家就放在24C01中，BQ2083,BQ2085放在它们自身的DATAFLASH中了。

而BQ2050则是死设定，厂家智能用外围的电阻，电容等硬件设定,它不用EEPROM或DATAFLASH，比较死板.（其实BQ2050的功能简单多了，好多判断都没有。

）

检测到异常情况，BQ2060就可简单地向外发个出发电平,以关断充电或放电开关，这样保护功能就简单地实现了。

实际上，大都用BQ2060的电池没有使用BQ2060提供的保护功能,而是另外加了芯片做保护，如M1414.另加的芯片和BQ2060自然有些功能是重复的，但没办法，谁让另加芯片了呢。

下面就是通讯方式问题，SMBUS其实就是I2C的子集，主要是时序上比I2C要求严格些.若你不写程序,简单地将SMBUS混同I2C就可以了。

当你看懂了BQ2060，不要以为所有的电量检测芯片都是如此，BQ2060是与标准SmartBatteryDataSpecfication兼容的芯片，即所谓的SBSV1。

1—Campliant，其实BQ2050就不兼容这个标准。

BQ2050提供的信息少了不少,通讯方式也不同（DQ）。

COMPAQEvo系列电脑的电池就是采用BQ2050H的，所以要增加PIC来增加一些功能。

（当然里面还有充电功能.）

还有比较流行的芯片是M37516+4494，这个方案比较原始,M37516就是个通用的MCU，其实用PIC、AVR等好多MCU都可以代替，它的特点就是有A/D,PWM，I2C接口。

在M37516中写程序，实现BQ2060的功能，自然就可以不用BQ2060了。

当然用M37516写程序来实现肯定没有使用专用芯片简单.

使用M37516的电池可以是SBSV1。

1-Campliant，也可以不是的。

很多电池既使用了PIC，又使用了BQ2060，或BQ2083/5等，这多数是厂家故弄玄虚。

如果它也是使用SMBUS接口，很可以省掉PIC的。

还有个电池解密问题，即unseal问题，BQ2060因为外接EEPROM，所以unseal总是能实现的，虽然比较麻烦，但总是可以的，而BQ2083/4/5则几乎不可能,除非你知道厂家设置的unseal密码，否则，写程序用枚举方法解密一块电池要小一年时间。

很多OEM电池厂家都想将就电池改写改写数据就以就充新地买。

还有电池检测（老化）问题。

检测设备有检测电芯级的，有检测电池板级的。

经过前者检测出来的电池即使是合格的，但实际上电池也可能是不合格的，因为电板可能有问题而没有被检测出来。

而经过后者检测出合格的电池,才是真正合格的电池。

大多数电池不用时你也可以直接在电池接口处测量到电压,而有的电池不接到电脑上你是测量不到电压,即所谓的电池没有打开，如COMPAQEvo系列。

在此解释一下CapacityRelearn.

其实电池的relearn—cycle或Conditioning—cycle都是充放电过程，Calibration就是充放电过程。

这个过程如下:

1.先将电池充满。

2.放电放完（这个过程中不能有充电）

3.再充满电。

CapacityRelearn就是重新确定FCC。

因为在过程1的结束,BQ2060将DCR`复位为0，在过程2中DCR从0开始不断增加,当放电结束时,用DCR更新FCC。

在BQ2060的DATASHEEET中将这个过程说得比较难懂,而BQ2050中说得比较清楚.

在《笔记本电池知识系列1》中说过：

大部分电池中只有电量检测和保护两部分，如HPf4486、HPf4496、IBMT20、HPf2019、FUJITSU—SIEMENSBP-8050等等；有些电池将充电器也做进电池里面了，如COMPAQN系列的电池多是如此。

没有充电器的那些电池，自然要在笔记本中加上充电器部分；而有充电器的电池，笔记本中电源管理部分就简单多了，少了充电这个大头。

从上面可以看出笔记本电源系统包括电量检测部分、保护部分、充电部分，除此之外，还有系统管理部分。

所谓的电池系统管理部分主要是多电池管理。

一个笔记本可以带几个电池，这些电池却公用一个地址，当然要是一个电池一个电池,也就没什么要管理的了,可惜，事实上,笔记本中所有的电池都公用一个地址，这就出问题了：

笔记本说，我不管你到底哪个电池给我供电，你只要有电，就请给我供电。

多个电池一起工作肯定要管理，可是笔记本电脑却不想管，于是就出来个电池系统管理部分。

其实不光是笔记本电脑中如此，在数码摄象机等便携产品中都有这种情况。

想知道详细情况,可参看标准《BatterySystemManagerSpecification》.

上面四个部分的工作不依赖笔记本电脑，我们使用笔记本电脑都知道，即使不开机，电池也照常充电，这时连BIOS都没有运行呢。

通常我们的笔记本电脑中有个软件（如BatteryMon）可以测试笔记本电池的好坏，其实，笔记本电脑本身只是查询电池，它并没有测试的行动。

这往往使刚入门者混淆，因为从根本上讲，对用户来说,最好是我打开一个软件，就能从上面看到笔记本电池好坏的测试结果.

关于笔记本电池方面的标准有四个基本的:

《SystemManagementBusSpecification》、《SmartBatteryDataSpecification》、《SmartBatteryChargerSpecification》、《BatterySystemManagerSpecification》。

至于《SmartBatterySelectorSpecification》，它和《BatterySystemManagerSpecification》差不多。

这四个标准其实都体现在具体的产品中,建议入门者将它们和具体的产品结合起来看,如BQ2060A的Datasheet基本上就是前三个标准的集中体现,其实BQ系列的充电管理芯片的Datasheet就是后两个标准的集中体现。

下面先解释一下所谓的GasGaugeOperation。

您要是初看资料，还挺费神的呢.其实说白了，原理很简单.GasGauge

Operation最主要的目的是测量电量（电池最多能充多少电量FCC和现在还剩余多少电量RM）。

从简单开始，电池的电压测量简单吧。

几节电芯串联在一起，不但可以简单地测量总电压，还可以简单地测量出每节电芯的电压.所以可以很简单地知道电池是过压了，还是欠压了.温度测量也很简单,因为热敏电阻的阻值随温度变化是有规律的，用个热敏电阻就知道是否温度高了，或者温度低了。

电流测量您觉得复杂吗？

话归正题，GasGaugeOperation主要是为电池的电量测量服务的.将一个很小的精密电阻和电池串联在一起，只要电池工作，其上就有压降，要压降就知道压降是正还是负，也就知道是充电还是放电了。

如果对这个信号不断积分，是不是就可以计算出电量了？

不知道VFC是如何测量电量的，那就以后有时间在深究吧，不过可以想象一下，我们家里的电表不也是测量你用了多少电量的吗？

所以，测量电池电量，必须要电池工作。

如何知道电池最多能充多少电量FCC？

假设电池已经充满了，我们让电池以固定大小电流放电,这样知道放电电流的大小和放电时间的长短，就可以算出电池的容量了。

比如放电电流大小为2200mA，放了2小时的电，则电池的容量就为4400mAh。

BQ2060A中利用一个叫DCR的寄存器，当电池充满时，其值被复位为0，随着放电的进行,它不断计数，每个计数相当于一定的电量，这样,知道DCR的数值，就知道电量了。

电池的放电放到不能再放，并不是真的让电池所有的电都放完，因为真的全部放完了，电池也就报废了。

一般14。

8V电池放到12V就不能再放了。

电量检测芯片检测到12V就发出保护信号,让电池供电线路断开，不能继续向外供电就是了.我们说的电池最大充电电量就是这样测量出来的，即先将电池充满，再放电，放到不能再放为止所测得的电量.在这个放电的过程中不能有充电，因为DCR只在放电过程中向上计数,充电过程中它不会向下计数的。

符合这样条件的放电过程叫做有效放电（aqualifieddischargefromnearlyfulltoalowbatterylevel）.当电池经过一个有效放电得到的DCR值将被转换成电池最大充电电量而被保存在EEPROM一个叫LMD的位置的；而非有效放电的DCR值是没有任何用处的。

前面12V的专业说法叫EDV0（BQ2060），其实放到EDV2时，DCR就不在计数了。

电池最大充电电量专业叫法是FCC—FullyChargedCapacity。

（注意,这里开始涉及到了一些参数了，如EDV0、EDV2等，它们是EEPROM中参数的一部分，其实EEPROM中参数就是这样一点一点来的，没有什么难的。

）

如何知道电池还剩余多少电量呢RM?

假设一块电池经过上面的放电已经放完了，此时开始充电。

这样就可以从0开始计数了，这个寄存器叫RemainningCapacity（RM）,它不断计数，自然就知道充了多少电.如果放电，这个寄存器就向下减，所以电池剩余电量的测量问题就解决了。

充电充到什么时候呢？

比如上面14。

8V电池，大都充到16。

8V时，充电器的电压就不能再升了，虽然电压不能再升了,但仍可以以这个电压给电池继续充电,不是说电压不能升就充不进去电了，还是有电流的嘛。

随着电池越充越饱，电流也越来越小,不过不可能小到0的,小到0不知要用多长时间呢,大概也不可能小到0的.（所以电池没有充饱的，只有充得更饱的。

）于是人为地设定一个很小的电流值,一旦电流小到这个值时,就认为充电充满了.充电时，RM向上长,放电时，RM向下减,这样，剩余电量就知道了。

上面的16.8V的专业说法叫ChargingVoltage,人为地设定的一个很小的电流值叫CurrentTaperThreshold（BQ2060）.（注意,这里又涉及到了一些参数了，如ChargingVoltage、CurrentTaperThreshold等，它们是EEPROM中参数的一部分，其实EEPROM中参数就是这样一点一点来的，没有什么难的。

）

其实RM计数的电量时常不准确。

举个例子：

刚出厂的电池，其FCC是人为设定的一个值，即LMD，假设电池实际容量为3000mAh，而厂家将LMD设置为4000mAh，此时充电，充满时，RM应该为3000mAh，但电池电量检测芯片多将电量从3000mAh人为地调整为4000mAh。

当然这是其实误差，经过校准可以消除，即所谓的Calibrate。

即使校准了,以后也会再出现不准的情况，照样可以再校准,使RM回归到准确的值。

从上面可以看出Calibrate的过程步骤：

这个过程如下：

1。

先将电池充满.它保证DCR的初始值回到0。

2.放电放完（这个过程中不能有充电）。

它保证在有效放电结束时得到正确的最大充电电量FCC。

3.再充电。

很多笔记本电脑只显示电量的百分比（RM/FCC），这时显示的百分比才有意义。

要注意即使是100%，也不说明电池的电量就多，因为FCC可能小呀。

再说说补偿Compensation，说是补偿Compensation，不如说是Correction。

因为测量不能是完全线性的，所以有EDVCapacityCorrection。

还有自放电是测不出来的，人为地估计一个值，这个值要算进去，所以有lightdischargecompensation.

一、Ti王者至尊

提到笔记本电池管理芯片，首推其霸主Ti，德州仪器。

Ti占有全球市场超过80％以上的份额，是绝对的至尊老大，无人能撼！

其典型的应用于笔记本电池的芯片有BQ20402060208X20Z80等等.因为Ti并购了Benchmarq公司，所以芯片名称为BQ打头。

BQ的芯片在某种意义上讲相当于这个市场的一种规范，从功能，性能，甚至于应用。

大家可以发现，你会在其他公司的芯片上发现到Ti芯片的影子,甚至是Utility的设置.自动或者被动的向Ti靠近,或者看齐已经成为了一种习惯，也是一种必然。

对于笔记本电池来讲，其基于安全性的考量要远远超过成本的考量，所以成熟的产品会长期的使用下来.只有在稳定，成熟的前提下才可能会去考虑成本。

1。

BQ2040

BQ2040采用16pinSOICNarrow封装，只具有gasgauge的功能，支持镍镉，镍氢，锂离子电池。

只支持SBS1.0协议，只可以驱动4个LED。

需要外附加一个eeprom来储存芯片工作所需要用到的参数。

2040没有Blancing的功能，另外一个bq2040没有通用GPIO口可以用来检测电池或者电芯的温度，只是芯片内部有一个sensor用来采集温度。

BQ2040同时还无法测量每一个cell电压的功能。

当然bq2040可以检测pack的电压，采用PBpin。

因为2040的耐压限制，Vsb电压需要低于Vcc的电压，在电路结构上,为了保证电压检测的精度，需要采用2个高精度的1%的电阻来分压，当然需要根据电芯的串联数目来修改PBpin这边分压电阻的阻值。

在检测电流方面，没有采用如同现在大部分芯片采用的结构一样，采用2个专用的pin来检测电流采样电阻2端的电压，而是只采用一个SRpin与VSS来采集。

因此可能会受到的干扰更大，精度会有影响.依据于一些网络收集的信息,2040采集电压是11bitADC，采集电流是用12bit的VFC.bq2040监测电压与电流无法达到更高的精度，同时在校准电流的时候会经历漫长的时间。

bq2040需要搭配另外一个保护芯片，通常为1414和8254.1414和8254经过长期的使用，足以可说明其具有极高的稳定性，但是一些弊端也明显。

比如OVUV的保护点,以及OVUVOCSC的延迟时间不可灵活设置，UV保护点偏低，还有OC，SC的不稳定性。

调节OSSC的大小，需要采用其他的方法来实现。

另外在EDV补偿方面,只有EDVFEDV1。

不可以动态调整.

不可否认bq2040在相当长一段时期内是一个非常有代表性的芯片,他具备了一个gasgauge芯片的基础模型.同时也正是因为1414和8254的成功，bq2040甚至一直延续到现在仍然在批量出货.

二：

BQ2060

bq2060采用28pin的ssop封装，相对于bq2040比较，增加了12个pin。

首先增加了对pack内单cell电压的检测，提供了可以对pack温度的检测.同时为了减少功耗，采用cvonPin来控制一个mos来分配检测的时间,不检测的时候，就暂时关段检测通道（大概可以减少30uA左右的功耗）。

增加了HDQ通讯，LED显示方面支持4或者5LED显示。

bq2060对电流，电压，温度的检测采用15bit的ADC（bq2060好象只有1个ADC），检测电压方面，因为bq2060芯片本身耐压得限制（最大6v），采用电阻分压的方法。

2060做了规定，cell3，cell4分压比例为16：

1，cell1cell2分压比例为8:

1.精确的分压依赖于高精度的电阻（1％），同时698K与1.5兆的电阻叶有效的限制了浪涌电流，很好的保护了IC。

需要注意的，cell3和cell4的测量最大电压20v，cell2,cell1测量最大电压为10v,但是这并不是2060ICpin的最大耐压。

bq2060在电压检测精度方面不会很高，尤其是对于cell3和cell4电压的检测。

这个主要源于分压电阻的精度和电压的检测方式。

VCELL4=Vn4—Vn3VCELL3=Vn3—Vn2VCELL2=Vn2—Vn1VCELL1=Vn1—Vsr我们可以发现，当测量vcell4的时候，因为分压电阻的精度而带来的误差将会达到最大化。

bq2060检测电流方面，通过SR1SR2这2个PIN来检测senseresistor两端的电压.与2040最大的区别就是将这2个pin独立了出来，同时在外围电路增加了RC滤波电路。

在电流检测精度方面，校准后,误差很小，基本上在5-10个mA以内。

检测电流部分，需要注意采样电阻的选择，一般应该选择10-20mohm。

阻值太大,检测分辨率会增加，但是自身功耗会增加，阻值太小则检测电流的精度会下降.另外注意对此电阻的温漂特性的关注,当然越小越好.在layout方面，这里至关重要,2条电流检测线,尽量平行，等长,最好via的数目都保持一致.温度检测方面，bq2060采用了K氏温度单位，需要注意单位的换算。

需要提及的Thermistor一定要用胶紧紧贴在cell上。

因为容量的补偿将会非常依赖于所测得的温度。

提到容量的补偿，这个其实就是整个所谓GASGAUGE真正核心的地方。

不同温度,放电电流，终止电压，不同老化程度的cell，所得到的补偿是不一样的。

bq2060在2040的基础上作了修正，EDV也更名叫做CEDV，实现动态补偿。

所谓动态补偿与固定补偿的区别，在于动态补偿可以当时根据放电电流,温度，内阻，老化因素等的参数来调整EDV2，EDV1，EDV0的数值，而EDV2的大小会关系到FCC的计算。

而计算EDV2，1,0是通过一个函数式，需要通过对cell做实验，然后利用数学工具Mathcad计算出来。

所做的实验主要是cell在高温，常温，低温3种温度下进行轻载和重载放电实验，然后通过Ti提供的UtilityEV2200—60将SBS寄存器的数据Log下来。

通常在低温的时候,RSOC会跳变比较厉害，比如会突然从18％jump到7％，无法非常准确的将电池真实的RSOC反映出来。

RSOC会在full

charge的时候，根据放电的电流，以及自放电比率等下降，但是到放电到末期，当达到EDV2设定的电压，会被强行拉下来.我想这也许就是这种容量修正方法本身的局限性.但是不可否认，这种方法的高明之处.其实有的时候,浓缩的就是精华，Ti的这种看似简单的补偿方法，却也非常实用,Ti从来没有公开过自己的这种算法,这种算法也许就是浓缩于多年的实验数据，外加一些聪慧人士的高度提炼.在保护方面,bq2060于2040一样,需要依赖于其他的专用3/4串的保护芯片，比如1414和8254等.Ti其实也有自己的保护芯片，只是很少见有人会采用到。

但是高于2040的是，bq2060在保护方面做了一些有益的尝试,采用cfc与dfc的Pin，来控制一个mosfet实现对powermosfet的控制。

但是源于bq2060电压精度不是很高的问题,以及安全性的考虑，bq2060的保护功能那个只是定义为二级保护。

一级保护仍然需要依赖于1414等芯片。

bq2060内部没有集成driver电路,所以在一份Ti的应用手册内,对cfc和dfc的应用电路作了说明.但是，目前为止几乎没有在市面上见到有批量出货的产品会应用cfc和dfc的功能，只能说鸡肋而已.bq2060定义，当电池在低温或者低压的时候，进入prechage模式，但是因为bq2060没有自己的driver电路，所以只可以发送信息到smartcharger，依赖于charger才可以完成precharge功能。

bq2060同时还广泛应用到了一些aftermarket市场。

网上也能常常会看到bq2060+xxxx方案的讨论。

到目前为止，bq2060已经在市场在风云7—8年，在相当长的一段时间内是市场上绝对的生力军.bq2060就这样和1414,8254在