DS2720功能及其应用技术研究
发布时间：2010-6-19 18:16
发布者：zealot
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1 引言 锂离子电池具有体积小、重量轻与能量密度高等优点，在GSM／CDMA和高端便携式产品、通信终端等电子产品中应用广泛。由于锂离子电池的特点，其保护电路是不可缺少的。目前市场上锂离子电池保护电路有很多类型，但大多功能不完善，仅有过充、过放、过流保护，没有过热保护和程序控制、监测功能，然而在放电电流较大时电池有过热的可能。如果没有过热保护，将会严重影响锂电池的使用，而且保护电路具有可程序监测、控制的功能也是很有必要的。Dallas公司推出的锂离子保护器件DS2720不仅具有过热保护功能，还带有独特的1-Wire接口，可用于程序监测、控制器件的工作，具有智能化特性，使用可靠。 2 DS2720功能和主要特点 DS2720是一款单节可充电锂电池保护器件，通过控制外部开关器件切断充电和放电通路，从而实现对锂离子电池的保护。该器件可以对单锂离子或锂聚合物电池进行有效安全保护，使电池免受过量充电、过量消耗、过高放电电流以及过高温度的损害。 DS2720的主要特点如下： 当芯片温度超过过热基准时进行过热保护。 8字节可锁定EEPROM，用于存储电池信息。 采用9 V电荷泵为外部N沟道保护MOSFET提供高侧驱动，与常见的使用相同FET的低侧保护电路相比具有更低的导通电阻。 具有Dallas 1-Wire数字通信接口和唯一的64位ID，通过其1-Wire接口提供主机系统对保护寄存器、状态寄存器、特殊功能寄存器、EEPROM寄存器以及EEPROM等内部存储器的读写访问。 允许系统通过1-Wire接口对DS2720保护功能进行使能和关断，监测充放电异常情况，此外DS2720还可作为电池选择器。 超低功耗，工作状态耗电仅为15μA，静态消耗电流为1 μA。 3 引脚功能及内部结构 3.1 引脚功能 DS2720采用8引脚μSOP封装，引脚排列如图1所示。DS2720引脚功能如下：
引脚1(PLS)：电池组的正极输人。采用100Ω电阻将该引脚接至由两个N沟道MOSFET控制的电池输出端，用于充电检测和过流检测。 引脚2(PS)：系统(功率)开关检测输入，低电平有效。当DS2720处于"睡眠"模式时，此引脚输入低电平，唤醒DS2720至工作模式，此引脚可接至主微处理器I／O口由主微处理器进行控制。 引脚3(DQ)：数据输人／输出。1-Wire总接接口，经上拉电阻接至主微处理器I／O口和主微处理器进行数据通信。 引脚4(VSS)：接地。直接接锂电池的负极。 引脚5(VDD)：电源输入。接至锂电池的正极，用于输入DS2720的工作电压(2.5 V～5.5 V)。 引脚6(CC)：充电控制输出。用于在充电时控制N沟道MOSFET导通关断。 引脚7(DC)：放电控制输出。用于在放电时控制N沟道MOSFET导通关断。 引脚8 (CP)：9 V电荷泵输出。内部9 V的电荷泵为外部N沟道MOSFET提供高端驱动使其导通。 3.2 内部结构 DS2720主要由过充检测电路、过放电检测电路、过流检测电路、放电延迟电路、负载检测、充电检测和过热检测电路、EEPROM存储器、1-Wire接口电路、工作模式控制开关等组成。内部结构如图2所示。
过充检测和过放检测是通过检测电池电压并和各自的基准电压进行比较；过流检测是通过检测外部N沟道MOSFET的导通压降并和内部设定的器件过流检测电压相比较。过热检测电路是通过检测芯片温度并与基准温度进行比较，EEPOROM存储器用于存储电池信息，延迟电路主要是为了防止电压的噪声干扰导致电路误动作，只有当信号保持延迟时间后才能控制外部的N沟道：MOSFET，1-Wire接口电路用于提供主微处理器和DS2720进行数据交换的通路。 4 DS2720存储结构及程序操作命令 4.1 内部存储器 DS2720内部集成了256字节线性地址空间，其中低32字节用于设备号、状态、控制寄存器及可锁定的EEPROM(8字节)，每个地址数据为8位。DS2720为电池信息存储提供两类存储器，EEPROM和可锁定EEPROM。EEPROM是非易失(NV)存储器，用于保存重要的电池数据，不会因电池过度放电、偶然短路或ESD事件丢失数据。可锁定EEP-ROM在锁定后相当于只读存储器(ROM)，用于更安全地保存不再改变的电池数据。DS2720有效读／写存储区间即地址分配如表1所示。
保护寄存器的格式：Bit 7：过压标志OV，Bit6：欠压标志UV，Bit 5：0,Bit 4：过流标志DOC，Bit 3：CC引脚状态标志CC(只读)，Bit 2：DC引脚状态标志DC(只读)，Bit l：放电使能CE，Bit 0：放电使能DE。 状态寄存器的格式：Bit 4为读网络地址命令选择，Bit 5、Bit 3为0，Bit 7、Bit 6、Bit 2、Bit 1、Bit 0为保留位。 EEPROM寄存器的格式：Bit 7：EEPROM复制标志EEC，Bit 6：EEPROM锁定使能LOCK，Bit 1：可锁定EEPROM 1锁定使能BL1，Bit 0：可锁定EEPROM 0锁定使能BL0。Bit 5、Bit 4、Bit 3、Bit 2为保留位。 特殊功能寄存器的格式为：Bit 7：PS引脚状态标志PS，Bit 0：过热标志OT，Bit 6、Bit 5、Bit 4、Bit3、Bit2、Bit 1为保留位。 4.2 DS2720控制流程 由于DS2720采用单总线通信方式，因此所有指令都采用数据形式，由主微处理器发送至DS2720执行。主微处理器通过DS2720的DQ引脚将命令逐位串行发送至DS2720。 典型的单总线命令序列如下： 程序初始化； 网络地址命令； 功能指令； 数据传输。 基于单总线上的所有传输都是以初始化开始。初始化过程由主微处理发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。开始使用前由主微处理器发出复位信号，DS2720发出应答脉冲，通知主微处理器其准备就绪。由于单总线系统允许总线上挂接多个从机设备，因此在初始化后，主微处理器发送网络地址命令进行搜索或选择指定从机设备。当总线上挂接多个从设备时，则需要进行搜索匹配等命令操作；当总线上只有一个从机设备时，主微处理器发出跳越ROM命令，接着进行后续操作。当主机发出ROM命令访问某个指定的DS2720后，接着就可以发送DS2720的功能命令。 4.3 网络地址命令 在主机检测到应答脉冲后就可以发出网络地址命令，网络地址命令包括以下几种： (1) 搜索ROM[Foh] 搜索1-Wire总线上所有从机设备的ROM地址，这样主机就能够判断出从机设备的数目和类型。 (2) 读ROM[33h] 该命令仅适用于总线上只有一个从机设备，它允许主机直接读出从机设备的64位ROM代码而无须执行搜索ROM过程。 (3) 匹配ROM[55h] 匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的从机设备，仅当从机DS2720完全匹配64位ROM代码时才会响应主机随后发送的功能命令。 (4) 跳越ROM[CCh] 主机采用该命令可同时访问总线上的所有从机设备而无须再发出其他ROM代码信息，此命令适用于单1-Wire系统。当1-Wire总线上挂接多个从机设备时，该命令后的功能指令可能会引起数据冲突。 4.4 功能指令 DS2720通过功能指令对其保护寄存器、状态寄存器、特殊功能寄存器、EEPROM寄存器以及EEP-ROM等内部存储器进行读写操作。 常用的功能指令及其功能如下： [69H]读数据指令。用于读取DS2720某一地址的数据，指令后需跟所要读取地址。 [6CH]写数据指令。用于对DS2720某一地址进行写操作，指令后须跟所要写入的地址。 [48H]数据复制指令。用于把SRAM中的内容复制到可锁定的EEPROM中保存。指令后需跟所要复制到的EEPROM地址。 [B8H]数据复制指令。用于把可锁定的EEP-ROM中的内容复制到SRAM中。指令后需跟EP-PROM的地址。 [6AH]锁定可锁定EEPROM存储器。指令后需跟可锁定EEPROM的地址，该指令有效的前提是EPPROM寄存器的bit 6(EEPROM锁定使能位)已置1。 5 基于DS2720的锂电池保护电路 5.1 DS2720电源工作模式 DS2720电源有"激活"和"睡眠"两种工作模式。DS2720正常工作时处于"激活"模式，处于"睡眠"模式时，DS2720检测信号，同时关断外部的两个N沟道MOSFET。电源工作模式转化条件如表2所示。
5.2 DS2720的工作原理及保护功能 当电池电压处于VUV～VOV范围内时，DS2720的CC引脚、DC引脚均输出9 V的高电平。驱动两个N沟道MOSFET导通，此时电池工作正常，电池向负载的放电和充电器向电池的充电都是自由进行的，可以正常充放电。DS2720工作波形如图3所示。
充电过压保护：若在VDD检测的电池电压超过过压阈值VOV，且持续时间大于过压延迟TOVD(TOVD典型值为1.0 s)，则DS2720关断外部充电控制MOSFET，并在保护寄存器中置OV标志。在过压期间，外部充电控制MOSFET截止，放电控制MOSFET导通，放电通路保持开路；当电池电压降到充电使能阈值电压VCE以下或放电导致VDD-VPLS>VOC时，充电控制MOS-FET被重新使能导通(过压保护过程中，充电控制MOSFET虽为截止状态，但放电路径依然流过其寄生二极管，故此时电池仍可放电)。 过放电欠压保护：若在VDD检测的电池电压低于欠压阀值VUV，且延迟时间大于TUVD(TUVD典型值：125 ms)，则DS2720关断充电和放电控制MOSFET，并置保护寄存器的UV标志，使其进入休眠模式。直到电池充电电压再次高于VUV时，过放电欠压保护解除，充电和放电控制MOSFET导通。 短路保护：若在VDD检测的电池电压低于短路检测阈值电压VSC，而且延迟时间大于TSCD(TSCD典型值为100μs)，则DS2720关断充电和放电控制MOSFET，并置保护寄存器的DOC标志。当VPLS>VDD-VOC时，电流通路重新建立。DS2720提供流经内部电阻RTST(从引脚VDD到引脚PLS，当VDD升至高于VSC时，上拉PLS)的测试电流。此测试电流可使DS2720检测低阻抗负载的偏移。另外，通过PLS和VDD引脚之间的RTST可恢复充电通路。 过流保护：若加在两个MOSFET的电压VDD-VPLS>VOC，并且持续时间超过TOCD(TOCD典型值16 ms)时，则DS2720关断外部充电控制和放电控制MOS-FET，并置位保护寄存器DOC标志。当VPLS>VDD-VOC时，电流通路重新建立。 过热保护：若DS2720温度超过TMAX，则立即关断外部充电控制和放电控制MOSFET，防止芯片、电池因过热导致损坏。当DS2720温度降至低于TMAX，并且主微处理器复位OT位后，充电控制和放电控制MOSFET恢复导通。DS2720在使用时应尽量贴近电池，以获得电池的温度。 恢复充电：VDD引脚和PLS引脚之间集成了一个由内部恢复充电电阻RTST(大小为5kΩ～10kΩ)和一只二极管组成的通路，该通路在满足一定条件时使能。当电池过放电，锂电池电压低于VSC时，DS2720立即使能恢复充电RTST通路，此时充电控制MOSFET和放电控制MOSFET关断，DS2720通过RTST和二极管组成的通路为电池进行恢复充电(由于放电时二极管工作在反向状态，故此时电池不能通过此通路放电)。当锂电池电压恢复至VUV时，放电控制MOSFET和充电控制MOSFET均导通，电池自由充放电。当VDD>VCE时恢复充电RTST通路关闭。 5.3 DS2720的应用 5.3.1 锂电池保护电路及1-Wire接口 DS2720电池保护电路主要由DS2720、两个外部N沟道MOSFET以及电容电阻组成。DS2720监测电池的电压，并控制两个N沟道MOSFET进行充电控制、过放电控制、过流控制和过热控制，PACK+、PACK-为锂电池经电池保护电路的正负输出端。DS2720为两个MOSFET提供高端n-FET驱动，即便在放电快结束时，都能保证低开关阻值，这将有效延长便携设备电池的运行时间。要根据锂离子电池充放电电流的额定值及最大充放电比率，选择具有合适导通电阻的MOSFET。 主微处理器通过1-Wire接口DQ引脚对DS2720进行监测和控制，DQ接至主微处理器I／O口时，单总线要求外接一只约4.7 kΩ的上拉电阻，通过DQ引脚可以和单片机进行通信，将检测到电池在使用中的故障向主微处理器报告。应用电路原理图如图4所示。
5.3.2 在锂离子电池保护电路中的特殊应用 DS2720具有独特的1-Wire接口，通过此接口可以实现与主微处理器的通信，因此当电池发生充电过压、放电欠压、过流、短路、过热、电池严重损耗现象时，DS2720能及时通过1-Wire接口把故障情况通知给主机，主机可以及时掌握电池故障信息并可以通过声、光告警反映出来。 由于DS2720具有可编程、程序控制的特点，它的命令集支持多个电池组的切换，因此可用做电池选择器。DS2720有一个工厂编程的64位网络地址，允许主系统单独寻址每个电池，支持多电池工作，因此当DS2720应用于多个电池组时，可以根据情况选择不同的电池组工作，或当电池发生故障时及时将信息报告给主微处理器并自动切换其他电池组工作，以保证重要系统的电源供给可靠、不中断。 6 结束语 DS2720是新一代智能型锂离子电池保护器件，由DS2720构成的锂离子电池保护电路高效、稳定、可靠、保护功能全面。内部9 V的电荷泵为外部N沟道MOSFET提供高端驱动，导通电阻更低，而且具有独特的1-Wire接口。该电路通常可作为锂离子电池充电器的一部分，具有较强的实用性。 |
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