1、引言
近年來，便攜式電子產品的迅猛發展促進了電池技術的更新換代。鋰離子電池由于其具有高能量密度、長壽命、低自放電率、無污染等特性，迅速成為市場的主流電池產品。為了防止電池出現過充電或過放電狀態、保證電池的安全性能和避免出現電池特性惡化現象，必須在鋰離子電池組中安裝保護電路[1]。同時要鋰電池能夠穩定可靠的為設備提供能量，對于電池的智能檢測與監控是必須考慮的環節。鋰電池供電是現代便攜式設備最合適的供電方案，但其充放電安全性不如鎳鉻電池、鎳氫電池及普通一次性干電池的傳統電源[5]。如果充放電方法不對，將會導致鋰電池發生安全問題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監控電路以實時監控充放電過程[4]。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085來設計鋰電池的外圍檢測系統，該設計方案以微處理器作為各種功能控制的核心, 除了對鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護外, 還可有效的對鋰離子電池組內各單節鋰電的充、放電提供平衡保護、能夠實時檢測出電池所處狀態并對鋰電池進行保護。
2、ATJ2085的電池監測的功能的使用[6] [7]
ATJ2085為LQFP封裝，64針腳，采用內嵌式的M
CU和24-bit DSP雙處理器體系結構，分別完成針對操作事件控制和多媒體數據編/解碼算法的系統級優化，通過數模混合信號技術，在單一硅片上集成了高精度ADC/DAC轉換器、USB控制器，實時時鐘RTC等。支持USB2.0(FULLSPEED)，支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒體播放；支持MTV電影播放；支持JPG、GIF、BMP圖片瀏覽。其系統集成度高，外圍應用電路簡單，擁有功能完善而成熟的開發工具和環境。
在ATJ2085中，電池電壓從電池電壓檢測引腳VBATPIN輸入，VBAT的電壓范圍小于3.0伏，所以無論一節堿性電池（1.5V）供電還是兩節堿性電池（3.0V）供電，在外部電池供電電壓小于3.0伏時外部都無需要加分壓電阻。ATJ2085中有一個4bit的ADC，它把0.9-1.5伏之間的電壓16等分為：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。當電池電壓大于3.0伏供電時，BATSEL接高電平，決定了從VBATPIN腳輸入的電壓在比較前會被分壓。并且A/D變換出來的數值會每2秒一次被記錄在IO PORT(D8H).BIT[3:0]里，這樣軟件就可以讀回IO PORT(D8H)中的值，與功能規格表（表1）中的值作比較，來確定要顯示的電池電量及采取的動作。很明顯ATJ2085能在更多點上監測電池電壓。
表1 功能規格表
舉例如下：
假設VL0>VL1>VL2>VL3，電池電量顯示為3格
選VL0=1.30V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=0AH，
VL1=1.10V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=05H，
VL2=0.98V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=02H，
當VBAT>VL0時，電池電量顯示為滿格；
當VL0>VBAT>VL1時，電池電量顯示為缺1格；
當VL1>VBAT>VL2時，電池電量顯示為缺2格；
當VBAT
另外，當電池的電壓低于某個電壓時(假設VL2),軟件把一些耗電大的電路關斷（利用IO PORT控制），如DSP,DAC等等。當VBAT PIN腳上的電壓低于LBD PIN腳的電壓時，ATJ2085仍會被無條件復位。
3、電池檢測系統設計
3.1 電路設計
在本文中檢測電路僅僅列出鋰電池檢測電路的原理圖,該設計考慮到了鋰電池的過壓特性，于是選用SC805電池檢測芯片來進行硬件電路的設計。如下圖所示，電路圖一部分是對于USB充電和過壓的保護設計，另一部分為電池電量檢測
圖1 檢測電路
正如ATJ2085的電池監測的功能的使用描述一樣，需要在電池兩端連接電阻R424和電阻R422（理想狀態下電阻R424和電阻R422比值應該為1：2）來分壓。但是考慮到非理想ADC的量化間隔是非等寬的，這勢必導致ADC器件不能完全正確地把模擬信號轉化成相應的二進制碼，從而造成信噪比的下降；且ADC每個量化的二進制碼所對應的量化間隔都不同，為了使設計的系統參數盡可能準確，我們需要克服微分非線性量化誤差[3]。于是需要調整R424和R422的組值（如圖1所示）。
3.2 電壓檢測
ATJ2085內部有一個4 Bit非理想 ADC.作為檢測電源電壓之用。此4 bit ADC可以根據固件(F/W)設定的電壓值，產生LB-和LBNMI-信號。對于鋰電池，由于自身特性不可能使產生的電壓直接可以達到0～1.5，需要利用如下公式分壓：
將分壓后的值與鋰電池實際值進行對應，其電壓檢測如表2所示：
表2 鋰電池電壓檢測表
通過硬件后可以將表2的值對應到表1中去通過調用以下軟件流程進行處理。
3.3 軟件流程
該檢測系統軟件設計流程如圖2所示：
首先清watchdog，然后通過GPIO_A0檢測USB狀態，接下來進行充電引腳GPIO確認并開始充電，充電時將GPIO_A0(如檢測電路圖)寄存器的對應位置高電平，同時利用GPIO_B6進行電池狀態檢測[6][7]。當需要對4位ADC寄存器讀寫數據時，需要設置其端口值參數，通過電池狀態檢測后，最后將檢測到的電池參數通過顯示函數顯示在LCD上。
其初始化代碼如下：
output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)//清watchdog
output8(0xee,input8(0xee)|0x01); //初始化端口參數，開始充電
output8(0xf0,input8(0xf0)&0xbf);
output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40);
output8(0xee,input8(0xee)& 0xfe);
if((input8(0x50)&0x40)!=0x40)
if(!(input8(0xee)&0x04)) //防止充電黑屏后拔掉USB不開
4、結束語
通過該方法設計的鋰電池檢測系統不僅可以有效防止電池的過壓、過充、過放、過溫，同時可以智能監控電池的電壓狀態；該設計方案簡單易行，穩定可靠，對于嵌入式系統的設計與研發具有一定的指導意義和實踐價值。該方法的創新之處在于不管外接干電池、鋰電池還是鎳氫電池均可以用該電路設計方法對電池進行監控。
參考文獻：
[1] 鄧紹剛，汪艷等，鋰電池保護電路的設計[J]，電子科技2006年第l0期(總第205期)
[2] 陸安江,張正平,唐薇, 兼容USB的便攜式設備鋰電池充電電路設計[J],2007年中國儀器儀表交流論文集，2007
[3] 劉京南，電子電路基礎[M]，電子工業出版社，2003年7月
[4] 上海東鉅電子有限公司，現代鋰電保護IC 的特點和應用[J]，電子設計應用，2003
[5] 李凱，張斌，一種新型智能動力鋰電池組能源管理模塊[J]，微計算機信息 2006年第9-1期
[6] Actions ATJ2085 Data sheet Version 1.0, 2004
[7] Actions ATJ2085 Programming Guide, Version 2.7 ,2004