锂离子电池组充放电保护和容量均衡控制电路X3100／X3101应用

：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：

    ·接通／关断充电器或用电设备时，电池组两端产生的瞬变电压
　　·某些东西或某人接触电池接点时产生的静电放电（ESD）
　　·用电设备中未滤除的噪声
　　·周围环境在电池组中产生的射频（RF）信号

　　这些干扰不仅能够引起X3100或X3101工作不正常，还可能损坏器件。为了滤除干扰，电容器可选用0.01μF陶瓷电容器，电阻的阻值应为10KΩ。为了减小干扰，PCB板上的布线应当尽可能短而宽，以便减小布线的阻抗，同时，各单体电池应当尽可能接近X3100或X3101的监控输入脚。

　　电阻RCB及其相连的N沟道MOSFET（VT6~VT9）用于均衡单体电池的电压。微控制器和SPI端口通过X3100或X3101内部的驱动电路控制开关MOSFET（VT6~VT9）导通与关断。VT6~VT9中任意一只导通时流过该MOSFET的电流受串联电阻RCB限制。因此，可以控制每只单体电池两端的电压。采用锂离子电池组时，各单体电池两端电压不均衡，将大大减小电池组的有用容量，电阻RCB的阻值应根据具体应用而变。

　　X3100或X3101内部4Kbit的EEPROM存贮器用于存贮电池的特性，如现有容量、电池组经历、充放电循环次数、最低／最高工作电压、电池组生产日期以及其他信息也都可存入EEPROM阵列。SPI串行母线提供与EEPROM的通信线路。

　　电流采样电阻RSENSE用来测试并监控流入或流出电池组的电流，从而防止电池组出现过电流状态。电阻RSENSE也用于通过微控制器从电池外部监控电池组的电流。

　　接在电池组外面的微控制器通用I／O端口需要接入VT4和VT5在某些情况（休眠状态）下，不接这些MOSFET上拉电阻可能将电压加到微控制器的Vcc脚，这个电压可能影响X3100或X3101内部稳压器的电压。这些MOSFET应当通过微控制器导通。

5. 通电时序

　　各单体电池接入保护电路后，X3100或X3101进入并维持在休眠状态，电池组不能正常供电。为了使X3100或X3101脱离休眠状态，大于16V（X3100的USLR）或12V（X3101的USLR）的电压应当加到Vcc脚，使电池组处充电状态。

　　USLR加到Vcc脚后，模拟信号选择脚（AS2～ASO）和SPI通信脚（ 、CLK、SI、SO）必须为低电平，这样X3100或X3101通电后才能进入正常工作状态。利用通电复位电路，可以完成这种功能。
不管是由接通电源后，或者是从休眠状态转入正常工作状态后，控制寄存器所有各位均为零。UVPC和OVPC位为零，充电控制和放电控制MOSFET均关断。微处理器通过SPI端口使MOSFET导通以前，应当检测电压和电流，软件应当避免MOSFET在起始测试／校准周期内导通。起始测试／校准周期应为tov+200ms或者tuv+200ms中持续时间更长的。

[page]6. 内部保护功能

　　X3100和X3101除了周期地监控过充电和过放电状态外，还连续监控过流状态。当出现保护状态时，自动关断外接的充放电控制MOSFET，并且，当保护状态消失后，充放电控制MOSFET可自动恢复导通。

　　过充电电压UOV、过放电电压UUV和过电流检测电压UOC门限值都可通过软件单独选择，并且存贮在内部非易失性寄存器中。这样可以满足特性不同的锂离子电池对保护参数的要求。

　　过充电保护延迟时间tOV、过放电保护和释放延迟时间tUV／tUVR，以及过电流保护和释放时间tOC／tOCR，都可以通过改变OVT、UVT和OCT脚外接电容的容量来改变。

　　6.1 周期性保护监控

　　在正常工作状态下，模拟信号选择脚设定为AS2＝L AS1＝L AS0＝L。在这种状态下，为了节省能源，过充电和过放电保护电路通常处于关断状态，但是通过内部的保护采样速率定时器（PSRT）周期地接通过充电和过放电保护电路。在125ms周期内，过充电和过放电保护电路大约导通2ms。在正常工作状态下，过流状态是连续监控的。在监控状态下，过充电和过放电状态也是连续监控的。

　　6.2 过充电保护

　　X3100和X3101监控电池组中任意单体电池的电压（UCELL）。如果任意一只单体电池的电压UCELL高于过充电保护电压UOV，并且持续时间超过过充电延迟时间tOV后，外接的充电控制MOSFET关断（OVP／LMON脚电压为UCC）。X3100和X3101进入过充电保护状态。应当说明，此时UVP脚电压控制的放电MOSFET将不受过充电状态影响。

　　在过充电保护状态下，控制寄存器中的OVPC位的状态有可能改变，这样将使OVP／LMON脚电压变为USS（充电控制MOSFET导通），但是X3100和X3101脱离过充电状态以前，OVP脚的电压将不改变。
改变OVT和GND脚外接电容器COV的容量可改变过充电保护延迟时间tOV。典型的过充电延迟时间tOV如表19所列。延迟时间可按下式近似计算：