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标题: 笔记本电池保护电路知识 2 [打印本页]

作者: 荞麦皮 时间: 2008-5-12 15:35
标题: 笔记本电池保护电路知识 2
笔记本电池保护电路知识 2（转载）

上次的结尾说想谈谈笔记本电池的充电器，在此给续上。

下面“扯”点“技术”方面的东西吧，笔者水平有限，往往给所谓的“高技术”的东西说得干巴巴的，罪过，罪过。

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HP f4486、HP f4496、IBM T20、HP f2019、FUJITSU-SIEMENS BP-8050等等；有些电池将充电器也做进电池里面了，如COMPAQ N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《Battery System Manager Specification》。

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：《System Management Bus Specification》、《Smart Battery Data Specification》、《Smart Battery Charger Specification》、《Battery System Manager Specification》。至于《Smart Battery Selector Specification》，它和《Battery System Manager Specification》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 Gas Gauge Operation。您要是初看资料，还挺费神的呢。其实说白了，原理很简单。Gas Gauge 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，Gas Gauge Operation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（a qualified discharge from nearly full to a low battery level）。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—Fully Charged Capacity。（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Current Taper Threshold(BQ2060)。（注意，这里又涉及到了一些参数了，如ChargingVoltage、Current Taper Threshold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EDV Capacity Correction。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light discharge compensation。建议初学者不要在这上面大花工夫。

[ 本帖最后由荞麦皮于 2008-5-12 17:39 编辑 ]

作者: 荞麦皮 时间: 2008-5-12 15:36
最后说说充放电控制吧。
电池完全自己实现充放电的控制过程，我们的笔记本电脑决不参与充放电的控制过程。电池报告说电池快没电了，电脑就提示用户快没电了，等没有电时，电池自己就切断供电了。充电充过了，电脑并不知道，电池自己检测是否过充，过充了，电池自己切断充电。

当然，控制的结果电池会向外批漏的，外界可以主动查询结果，厂家也可以设置让电池主动向外广播控制结果。（这就是电池智能化的体现。这个控制结果就存放在BatteryStatus的寄存器中，其主要用处是被充电器使用，或者是电池系统管理使用。

现在来说说BQ2060 EEPROM参数的意义吧。

初学者对这个好象很感兴趣，往往又云里雾里。其实它只不过是上面测量、补偿、控制、显示等过程所用的参数，因为这些参数不同的电池不一样，电池检测芯片厂家为不变应万变，设置个EEPROM，让电池生产厂家自己写上。

下面以BQ2060 EEPROM 解释一下其意义。
EEPROM中最简单的几项，它们是电池厂家参数，只是为了显示而已。如Manufacture Date是电池生产日期，Manufacture Name是电池生产厂家的名字，Serial Number是电池的序列号，Device Name是设备名称，Device Chemistry是电池中电芯的化学物质名称，Specification Information是所谓智能电池的版本号信息，EEPROM Constants是EEPROM中开始或最后两个字节的内容，它们是固定的，即0x3c7f和0xa55a，表示这是BQ2060的EEPROM，若是其他的值，BQ2060芯片就会认为这个EEPROM不对。Manufacture Data Length是生产数据的长度。生产数据就是EEPROM中的数据6个主要的数据：Control Mode,Digital filter,Self-Discharge Rate,Battery Low%,Near Full和EDV threshold，这六个数据是7个字节，所以Manufacture Data Length的值固定为7。一下就去掉8个项了，其实这些没什么作用。

EEPROM中最最基本的参数只有两项：Sense Resistor Value和Digital Filter。Sense Resistor Value其实就是BQ2060应用电路中和电池串联的那个电阻的大小，看看BQ2060 Datasheet 中图1，其中的Rs的大小就是这个Sense Resistor Value，因为不同的设计者使用不同的电阻Rs，所以要告诉BQ2060，这样BQ2060就知道它的ADC和VFC的增益大小了，Gas Gauge Operation主要是要检测其上的信号的，当然必须要知道其电阻的大小了。
Digital Filter，当电池不放电时，且SMBUS处于idle状态时，BQ2060检测到信号小于Digital Filter时，会进行自放电补偿的，这个Digital Filter是生产厂家设定的，而以多大的值补偿呢，有要厂家设置，即设置Light Discharge Current。当然厂家也可以选择不进行补偿，将EEPROM中的Control Mode的NDF设置为1，则BQ2060就不进行这种补偿。补偿的目的无非使RM和DCR的计数更准确些。

下面解释充电控制参数。
ChargingVoltage和ChargingCurrent，智能电池都会主动告诉充电器应该用多高电压ChargingVoltage和多大电流给电池充电ChargingCurrent，ChargingVoltage是厂家设定的，它是电池恒压充电的值。ChargingCurrent是一个总称，因为它可能有四种值：当电池说可以用大电流给我充电时，它告诉充电器ChargingCurrent的值为Fast Charging Current，当电池深度过放要求小电流预充电时，它告诉充电器ChargingCurrent的值为Pre-Charge Current。当大电流充电结束时它告诉充电器ChargingCurrent的值为Maintenance Charging Current，还有一个值是0。这4个值中的3个值存放在EEPROM中。
过压控制参数Overvoltage Margin：当电池电压大于ChargingVoltage + Overvoltage Margin时认为是过充。Overvoltage Margin大小在0~255mV之间。
过流控制参数OverCurrent Margin，当电池充电电流大于ChargingCurrent+ OverCurrent Margin时认为是过流。
温度过高控制参数MaxT：当电池大电流充电时，若温度高于这个温度时，将暂停电池的大电流充电。
Li-Ion电池充电充满的判断参数Current Taper Qual Voltage和Current Taper Threshold：当电池的电压大于ChargingVoltage - Current Taper Qual Voltage且充电电流小于Current Taper Threshold时，认为充电已经充满了。
NimH电池充电充满的判断参数△T/△t和Hold-off Programming。
电池剩余电量RM调整参数Fast Charge Termination Percentage：当电池在充电结束时，RM的值可能小于FCC，此时BQ2060就将RM强行调整到FCC（这里是大致的说法，因为Fast Charge Termination Percentage通常为100%）。当然厂家也可以设置不作调整。这个设置就是Pack Configuration中的CSYNC。
电池电量是否满标志控制参数Fully_Charged bit Clear Threshold：当电池充满时，电池会将Fully_Charged bit标志置为1，当电池电量回落Fully_Charged bit Clear Threshold以下时，就将Fully_Charged bit 标志清除。
循环周期数CycleCount和CycleCount Threshold：CycleCount记录电池已经经过了多少个周期，每个周期代表CycleCount Threshold mAh的电量。BQ2060每次更新CycleCount，都将该值写到EEPROM中的CycleCount去。
剩余时间Remaining Time Alarms和剩余容量报警Remaining Capacity Alarms：设定以当前的放电速率，还能运行多长时间，当还能运行的时间低于Remaining Time Alarms时发送报警信号；当电池的容量低于Remaining Capacity Alarms时发送报警信号。
Li-Ion电池保护参数，低压CELL UnderVoltage和高压CELL OverVoltage：当电池中有一节电芯的电压高于CELL OverVoltage时，BQ2060给出标志VOV，当其中有一节电芯电压低于CELL UnderVoltage时，BQ2060给出标志VUV。

再说说一些简单的参数吧。
Pack Configuration：该参数8位，每一位一个意思。
DMODE：有些电池上带有电量显示灯，BQ2060提供这种功能，DMODE该位表示显示的电量是绝对百分比还是相对百分比。假设电池厂家设计电池的容量为4400mAh（DC），实际电池的最大充电电量为3000mAh，而现在RM为2000mAh，则电量的百分比可有两种：2000/4400和2000/3000。
SEAL：在BQ2060 datasheet中，表3列出了SMBUS命令，这里的命令个数不多。其实SMBUS命令个数可有256个。若SEAL为0，则这256个命令都可读可写，若为1，则只有表3中的命令可读，而可些的就表中的那5个了。如果厂家将SEAL设置为1，则电池将无法UNSEAL，除非你将EEPROM硬连线去该这一位。厂家将SEAL设置为1，这样用户就不能读写EEPROM中的值了。（TI流后门。）
CSYNC：见上面的电池剩余电量RM调整参数。
CEDV：设置电池是否对EDV实行补偿。建议初学者理解固定EDV0、EDV1和EDV2就行了。
VOR：设置电池是否进行mid range voltage校正。
CHEM：表示电芯化学物质。
LCC0和LCC1：表示电池中电芯节数。

操作模式Operating Mode：
这个参数中有6位有意义。
NDF：见上面的Digital Filter。
HPE：BQ2060芯片向主机发送数据时，其通讯协议是否支持PEC校验。
CPE：BQ2060芯片向充电器发送数据时，其通讯协议是否支持PEC校验。
LED：BQ2060显示电量时是用4个LED还是用5个LED表示。
SM：是否关闭BQ2060向外发送广播信息。

设计电压Design Voltage，它不言自明。
设计容量Design Capacity：Pack Capacity就是mAh模式时电池设计容量，当mWh模式时，设计容量就是Pack Capacity * Design Capacity。
LMD：用来存放FCC，最开始时这个值由厂家设置，很随意地设置都行。
EDV：当电池电压低了后，BQ2060可以提供三级低电压报警，这三级低电压报警Threshold分别为EDV0，EDV1，EDV2。EDV有两种用处：第一，当电压到EDV2时，DCR就不再增长了，此时BQ2060设置full_discharged标志。当电压再低到EDV0时，电池将设置TERMINATE_DISCHARGED_ALARMS标志，表示若再放电，就会损坏电池了。EDV的另一种用处是电池电量矫正。按照Li-Ion电池理论，电量和电压有关系可循，为了矫正电量，在放电时，若电压先降到EDV时，而RM中计数的电量却没到相应的数值时，就将RM强制减到这些相应的值。如电压降到EDV0时，RM却还大于0，则强制将RM减到0；同样的EDV1和EDV2，EDV1对应的是将RM调到3%对应的值，EDV2对应的是将RM调到Battery Low%对应的值，就是EEPROM中的一个值。
EDV本身要设置为多少比较好呢？它有两种设置方法，一种就是设置三个固定的值，还有一种就是动态地设定，不同的温度，容量，放电率EDV的值不同，动态计算出来。和这个动态EDV设置有关的参数有：EMF、T0、C0、R0、R1、A0。
Overload Current Threshold：上面是说EDV的矫正作用，当放电电流很大时，BQ2060是不检测EDV的，到底多大呢，这个参数就是Overload Current Threshold。
中间电量矫正Mid Range Capacity Corrections：简单地说就是，电池开路的情况下，VOC25代表当电池容量为25%时的电压值，VOC50、VOC75的意思类推。
从上面可以看出，电池容量的测量不是一个简单的方程，而是要不断调整的。
还有两种矫正，在DCR计数时，还要漏电流估计和自放电估计矫正。
Near full threshold：前面我们说一个有效的放电是先将电池充满，即从RM等于FCC开始放电，这是粗略地说法。BQ2060 Datasheet 中说法是：从FCC低一点可是放电也算是有效放电，低多少呢，可以设定一个值，即参数Near full threshold。

最后的参数是ADC、VFC、Current、Temperature测量的校正。笔者水平有限，不能用“说白了，它们就是……”的方法解释清楚，照本宣科地翻译没什么意义，期待智者的“深入浅出”。

其实BQ2040、BQ2082、BQ2085等的EEPROM差别不是很大，还有BQ2050也是。

笔记本电池保护电路知识（3）见这里：
http://www.chinafix.com.cn/bbs/thread-46356-1-1.html

[ 本帖最后由荞麦皮于 2008-5-12 17:39 编辑 ]

作者: sdlyliuh 时间: 2010-9-13 10:26
很好一篇值得学习的文章

作者: xiaodong 时间: 2010-9-17 10:09
楼主是你自己写的吗？

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