笔记本电池保护电路知识

1、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(smart battery)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

2、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

3、什么地方了？在 BQ2060 的 DATASHEET 中，有个Table 3. bq2060 Register functions,这里存放了 BQ2060检测出来智能 信息的。这些信息就是所谓的Smart Battery Data (智能电池数据)，它们都被定义成标准了(见 Smart Battery Data Specfication)。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

4、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, Av

5、erageCurrent, 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, AtRateTimeToE

6、mpty, 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 Smart Battery Data Specfication 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 Smart Battery Data Specfication之外，厂家特定的操 作，女口 BQ2060的Seal,读写EEPROM, Calib

7、ration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

8、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DATA FLASH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 DATA FLASH ，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

9、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 Smart Battery Data Specfication 兼 容 的 芯 片 ， 即 所 谓 的 SBS V1.1-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）。

10、COMPAQ Evo 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SBS V1.1-Campliant,也可以不是的。很多电池既使用了 PIC，又使用了 B

11、Q2060,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 un sea l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

12、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 COMPAQ Evo 系列。在此解释一下 Capacity Relearn。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。Capacity Relearn就是重新确定FCC。因为在过程1的结束，BQ2060将DCR

13、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 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。

14、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 Sys

15、tem 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 Da

16、ta 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Datashee僦是后两个标准的集中体现。下面先解释一下所谓的 Gas G

17、auge Operati on。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。

18、 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

19、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

20、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 Cap acity（注意，这 里开始涉及到了一些参数了，如 EDV0、EDV2 等，它们是 E

21、EPROM 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

22、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 Curre nt Tap er Threshold（BQ2060）（注意， 这里又涉及到了一些参数了，如 Chargi ngVoltage、Curre nt

23、 Tap er 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

24、 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 Correctio n。还有自放电是测不 出 来 的 ， 人为

25、 地估 计一个值， 这 个值要算进 去， 所 以有 light discharge compensation。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 BQ2040 2060 208X 20Z80 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

26、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.BQ2040BQ2040采用16pin SOIC Narrow圭寸装，只具有gas gauge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

27、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PB pin。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 PB pin 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 SR pin 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，

28、 2040采集电压是 11bit ADC ，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 OV UV 的保护点 ,以及 OV UV OC SC 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 OS SC 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 EDVF EDV1 。不可以动态调整。不可否认 b

29、q2040 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gas gauge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：BQ2060bq2060采用28pin的ssop圭寸装，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cvon Pin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

30、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， cell1 cell2 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c

31、ell3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-Vn3 VCELL3=Vn3-Vn2 VCELL2=Vn2-Vn1 VCELL1=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SR1 SR2这2个PIN 来检测sense resisto俩端的电压。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

32、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 GAS GAUGE 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。bq206

33、0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Utility EV2200-60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