笔记本电池保护电路知识

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, AverageCurrent, 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, AtRateTimeToEmpty, 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，如BQ2060的Seal, 读写EEPROM，Calibration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）。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BQ2060，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unseal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`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。

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。

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.BQ2040

BQ2040采用16pin SOIC Narrow封装，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，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bq2040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：BQ2060

bq2060采用28pin 的ssop封装，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cell3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 resistor 两端的电压。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。bq2060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18%jump 到7%，无法非常准确的将电池真实的RSOC反映出来。RSOC会在full charge 的时候，根据放电的电流，以及自放电比率等下降，但是到放电到末期，当达到EDV2设定的电压，会被强行拉下来。我想这也许就是这种容量修正方法本身的局限性。但是不可否认，这种方法的高明之处。其实有的时候，浓缩的就是精华，Ti的这种看似简单的补偿方法，却也非常实用，Ti从来没有公开过自己的这种算法，这种算法也许就是浓缩于多年的实验数据，外加一些聪慧人士的高度提炼。在保护方面，bq2060于2040一样，需要依赖于其他的专用3/4串的保护芯片，

比如1414和8254等。Ti其实也有自己的保护芯片，只是很少见有人会采用到。但是高于2040的是，bq2060在保护方面做了一些有益的尝试，采用cfc与dfc 的Pin，来控制一个mosfet实现对power mosfet的控制。但是源于bq2060电压精度不是很高的问题，以及安全性的考虑，bq2060的保护功能那个只是定义为二级保护。一级保护仍然需要依赖于1414等芯片。bq2060内部没有集成driver 电路，所以在一份Ti的应用手册内，对cfc和dfc的应用电路作了说明。但是，目前为止几乎没有在市面上见到有批量出货的产品会应用cfc 和dfc的功能，只能说鸡肋而已。bq2060定义，当电池在低温或者低压的时候，进入prechage模式，但是因为bq2060没有自己的driver电路，所以只可以发送信息到smart charger，依赖于charger才可以完成precharge功能。bq2060同时还广泛应用到了一些after market 市场。网上也能常常会看到bq2060+xxxx方案的讨论。到目前为止，bq2060已经在市场在风云7-8年，在相当长的一段时间内是市场上绝对的生力军。bq2060就这样和1414，8254在很长一段时间内同床共枕，休戚与共。但是事实上，Ti并不乐意眼睁睁看着1414 和8254与自己一起分享这块蛋糕，他们也在一直努力向客户推广自己的保护芯片，但是收效甚微。终于，Ti推出了自己208x系列，这是一种技术进步和市场经济共同作用的必然，也正是随着208x的推出，告别了此前gas gauge ic 和保护ic独立工作的时代。在208x系列中，2个芯片互为依赖，互相作用。Ti终于将这份蛋糕实行了垄断，同时实现了利益最大化。