深入剖析 PS700 電池監(jiān)測(cè)器：功能、架構(gòu)與應(yīng)用詳解

在電池管理系統(tǒng)中，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù)至關(guān)重要。PS700 作為一款高效的電池監(jiān)測(cè)器，以其高精度、多功能和低功耗等特性，在電池監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。本文將深入剖析 PS700 的特性、架構(gòu)、操作模式以及寄存器配置等方面，為電子工程師在電池監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中提供全面的參考。

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產(chǎn)品概述

PS700 是一款經(jīng)濟(jì)高效且高精度的集成電路，專為可充電電池監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)。它能夠精準(zhǔn)測(cè)量、存儲(chǔ)并報(bào)告電池的關(guān)鍵參數(shù)，如充放電電流、電壓和溫度等，僅需極少的外部組件。其高精度的 16 位積分 A/D 轉(zhuǎn)換器可將電流測(cè)量誤差控制在 ±0.5% 以內(nèi)，片上計(jì)數(shù)器能精確跟蹤電池的充放電和溫度歷史。同時(shí)，PS700 還集成了電壓調(diào)節(jié)電路、非晶體時(shí)基和片上溫度傳感器，工作電壓范圍經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可直接與 1 或 2 系列鋰離子/鋰聚合物電池組接口。此外，它提供 512 字節(jié)的通用非易失性 EEPROM 存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)工廠編程、測(cè)量和用戶定義的參數(shù)，并通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SMBus/I2C 兼容 2 線通信接口實(shí)現(xiàn)高效通信。

架構(gòu)概述

內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器

PS700 集成了內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，支持 1 或 2 節(jié)串聯(lián)鋰包配置。該調(diào)節(jié)器直接從 VC1 輸入獲取電源，無(wú)需其他外部組件來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部電源電壓。

精密時(shí)基

集成的精密時(shí)基是一個(gè)高精度的 RC 振蕩器，為 Σ - Δ A/D 和片上經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)數(shù)器提供精確的定時(shí)，無(wú)需外部晶體。該時(shí)基在制造過(guò)程中被微調(diào)至標(biāo)稱頻率 131,072 Hz。

溫度傳感器

片上集成了溫度傳感器，可省去外部熱敏電阻的使用。同時(shí)，也提供了外部熱敏電阻的連接選項(xiàng)，適用于電池組與 PS700 物理距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景。

EEPROM 存儲(chǔ)器

512 字節(jié)的 EEPROM 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)非易失性參數(shù)，如 PowerSmart? 3D 電池模型，供主機(jī)驅(qū)動(dòng)固件使用。EEPROM 陣列中預(yù)留了一個(gè)初始化塊，用于在電源開(kāi)啟后將值加載到 PS700 寄存器中。

RAM 存儲(chǔ)器

提供 32 字節(jié)的通用 RAM 存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)臨時(shí)參數(shù)。

A/D 轉(zhuǎn)換器

PS700 集成了一個(gè)積分 Σ - Δ A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)模擬多路復(fù)用器，其輸入包括充放電電流、電池和電池組電壓、片上溫度傳感器和片外熱敏電阻。轉(zhuǎn)換器可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn) 8 至 15 位加符號(hào)的分辨率轉(zhuǎn)換，同時(shí)可選擇 ±340 mV 或 ±170 mV 的參考電壓。

32 位累加器/定時(shí)器

PS700 包含四個(gè) 32 位累加器和四個(gè) 32 位經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)數(shù)器。放電電流累加器（DCA）和充電電流累加器（CCA）用于記錄放電和充電容量值，放電時(shí)間計(jì)數(shù)器（DTC）和充電時(shí)間計(jì)數(shù)器（CTC）用于記錄總放電時(shí)間和充電時(shí)間。累加的充放電值可用于確定電池的充電狀態(tài)和循環(huán)計(jì)數(shù)信息，結(jié)合經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)數(shù)器提供的信息，還可計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均充放電電流。

SMBus/I2C 通信接口

PS700 的通信端口是一個(gè) 2 線行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SMBus/I2C 接口，主機(jī)系統(tǒng)可通過(guò)該接口讀寫片上寄存器和 EEPROM 中的所有命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

操作描述

A/D 和累加器/定時(shí)器操作

• A/D 轉(zhuǎn)換周期：當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換器啟用并處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)根據(jù)用戶通過(guò) 8 個(gè) A/D 控制寄存器編程的設(shè)置，重復(fù)執(zhí)行 1 至 8 次轉(zhuǎn)換的循環(huán)。這些寄存器決定了 A/D 轉(zhuǎn)換器周期內(nèi)的輸入源、分辨率、參考電壓源和轉(zhuǎn)換順序。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)在 8 個(gè)相應(yīng)的 16 位結(jié)果寄存器中。
• 電流測(cè)量：通過(guò)連接在 SR 和 GND 引腳之間的 5 至 600 mΩ 感測(cè)電阻測(cè)量充放電電流。最大輸入電壓在 SR 引腳處為 ±150 mV。為了進(jìn)行充放電電流測(cè)量，需將 Ictrl 寄存器編程為以 SR 引腳作為模擬輸入源。
• 電壓測(cè)量：模擬多路復(fù)用器輸入支持測(cè)量單個(gè)電池和電池組的電壓。A/D 控制寄存器 VPctrl、VC1ctrl 和 VC2ctrl 用于指定要進(jìn)行的測(cè)量。在典型應(yīng)用中，電池或電池組級(jí)別的電壓測(cè)量使用 +340 mV 參考電壓和 10 位加符號(hào)的分辨率。
• 溫度測(cè)量：提供 A/D 輸入通道，可使用內(nèi)部溫度傳感器或外部熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量。內(nèi)部溫度傳感器的輸出電壓與工作溫度范圍相對(duì)應(yīng)，外部溫度傳感器通過(guò) NTC 引腳提供恒定電流源，與外部熱敏電阻連接產(chǎn)生相應(yīng)的電壓范圍。
• 偏移補(bǔ)償：主機(jī)軟件可使用從 PS700 讀取的偏移測(cè)量值進(jìn)行偏移補(bǔ)償。當(dāng)在 OFFSctrl 寄存器中啟用偏移校準(zhǔn)時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸入會(huì)在內(nèi)部短路，并以指定的分辨率進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，偏移值存儲(chǔ)在 OFFSres 寄存器中。
• 累加/定時(shí)：四個(gè) 32 位累加器和四個(gè) 32 位經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)數(shù)器用于記錄電池的充放電容量和時(shí)間。累加器每 500 ms 更新一次，將指定結(jié)果寄存器的值添加到先前的累加器值中。
• 充放電累加器：DCA 寄存器用于累加放電電流，CCA 寄存器用于累加充電電流。兩者均以 Ires 寄存器為源。在充電時(shí)，SR 引腳與地之間存在負(fù)電壓，轉(zhuǎn)換后 Ires 寄存器的符號(hào)位為 0，測(cè)量結(jié)果將添加到 CCA 寄存器中；放電時(shí)，SR 引腳與地之間存在正電壓，Ires 寄存器的符號(hào)位為 1，測(cè)量結(jié)果將更新到 DCA 寄存器中。
• 充放電時(shí)間計(jì)數(shù)器：CTC 在 SR 引腳測(cè)量到負(fù)電壓時(shí)，每秒遞增 2 次，記錄充電電流流入電池的總時(shí)間；DTC 在 SR 引腳測(cè)量到正電壓時(shí)，每秒遞增 2 次，記錄放電電流流出電池的總時(shí)間。
• 通用累加器：TA 和 VC2A 是兩個(gè)通用累加器。TA 可用于累加 ITres 或 ETres 寄存器的結(jié)果，VC2A 可用于累加 VC2res 的結(jié)果。累加功能需在 Accumctrl 寄存器中啟用。
• 通用定時(shí)器：TAT 和 VC2T 是兩個(gè)通用定時(shí)器，分別在 TA 和 VC2A 累加器進(jìn)行累加時(shí)記錄時(shí)間，每秒遞增 2 次。

電源模式

PS700 具有四種操作電源模式：運(yùn)行（Run）、采樣（Sample）、采樣 - 睡眠（Sample - Sleep）和擱置 - 睡眠（Shelf - Sleep）。

• 運(yùn)行模式：在運(yùn)行模式下，PS700 根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換周期的編程設(shè)置執(zhí)行連續(xù)的 A/D 轉(zhuǎn)換循環(huán)。當(dāng) VC1 引腳的電池組電壓高于 VPOR 閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行模式，并在該電壓保持高于閾值且其他模式未激活時(shí)保持在該模式。
• 采樣模式：采樣模式旨在降低低速率充電或放電期間的功耗。通過(guò)編程 A/D 配置寄存器中的 “Samp” 位為 1 進(jìn)入采樣模式，A/D 測(cè)量以用戶可選擇的速率進(jìn)行。采樣間隔由 “SampDiv” 位確定，范圍為 0.5 至 64 秒。
• 采樣 - 睡眠模式：在采樣 - 睡眠模式下，PS700 進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并在用戶編程的間隔喚醒以執(zhí)行一組 A/D 轉(zhuǎn)換。睡眠間隔由獨(dú)立的低功耗片上 RC 振蕩器驅(qū)動(dòng)，該振蕩器功耗遠(yuǎn)低于主振蕩器，但精度較低。進(jìn)入采樣 - 睡眠模式的條件包括電池電壓下降、設(shè)置 OpMode 寄存器中的 SSLP 位或電流低于 I - trip 寄存器的值。退出該模式可通過(guò)清除 “SSLP” 位或根據(jù)電池組電壓或電流編程喚醒。
• 擱置 - 睡眠模式：擱置 - 睡眠模式是最低功耗模式，用于在電池組運(yùn)輸、存儲(chǔ)或電池電壓低于指定閾值時(shí)保存電池容量。在此模式下，不進(jìn)行測(cè)量、累加和 SMBus 通信，且不維護(hù)易失性存儲(chǔ)器。進(jìn)入該模式需編程 “SHent” 位為 1 或電池組電壓低于 VPtrip，退出該模式需 SMBus 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖讲⒈３忠欢螘r(shí)間。

通用輸入/輸出

NTC 和 VC2 引腳具有通用 I/O（IO0 和 IO1）的替代功能。這些引腳可配置為數(shù)字通用輸入/輸出，配置由 GPIOctrl 寄存器控制。IO0 可配置為推挽輸出、帶內(nèi)部上拉的開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)器或三態(tài)引腳，IO1 為開(kāi)漏輸出。若這些引腳用于模擬功能，則需禁用其 GPIO 輸出和輸入功能。

SMBus/I2C 接口

PS700 支持基于 I2C 接口的 2 線雙向總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SMBus V1.1 完全兼容。該接口用于讀寫片上寄存器和 EEPROM 中的數(shù)據(jù)，設(shè)備對(duì)所有功能使用相同的 SMBus 從地址進(jìn)行響應(yīng)。SMBus 是一種多主總線，具有仲裁機(jī)制和時(shí)鐘低擴(kuò)展功能，以適應(yīng)不同速度的設(shè)備在同一總線上的運(yùn)行。數(shù)據(jù)傳輸遵循特定的總線協(xié)議，包括起始條件、停止條件、數(shù)據(jù)有效和確認(rèn)位等。PS700 可作為從設(shè)備在總線上工作，有從接收器和從發(fā)射器兩種模式。

內(nèi)存/操作寄存器描述

內(nèi)存/寄存器映射

PS700 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過(guò)嚴(yán)格的內(nèi)存映射方式訪問(wèn)，其尋址由 10 位加兩個(gè)銀行選擇位組成，共有 4 Kbyte 可尋址位置，分為 4 個(gè)銀行，每個(gè)銀行有 1024 個(gè)位置。銀行 0 用于 EEPROM，銀行 1 包含 RAM/寄存器，銀行 2 包含測(cè)試寄存器，銀行 3 保留。

EEPROM

512 字節(jié)的 EEPROM 位于銀行 0，地址范圍為 0:0x000 至 0:0x1FF，用于存儲(chǔ)所有關(guān)鍵的 PS700 參數(shù)、校準(zhǔn)因子和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。EEPROM 可使用字節(jié)或塊傳輸模式讀取，但只能一次寫入一個(gè)字節(jié)，寫入時(shí)間約為 4 ms/字節(jié)。

通用 RAM

32 字節(jié)的通用 RAM 位于銀行 1，地址范圍為 1:0x000 至 1:0x01F，用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可使用字節(jié)或塊傳輸模式進(jìn)行讀寫。

操作寄存器

PS700 包含多個(gè)操作寄存器，用于控制和監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù)，如 DCA、DTC、CCA、CTC 等累加器和計(jì)數(shù)器，以及 A/D 配置寄存器、累加器控制寄存器等。這些寄存器的設(shè)置和操作對(duì)電池監(jiān)測(cè)和管理至關(guān)重要。

校準(zhǔn)/設(shè)置模式和寄存器

進(jìn)入校準(zhǔn)/設(shè)置模式需要主機(jī)連續(xù)請(qǐng)求三個(gè)特定的錯(cuò)誤 SMBus 地址，進(jìn)入該模式后，設(shè)計(jì)師可重新編程默認(rèn)的 SMBus 地址或更改工廠編程的校準(zhǔn)參數(shù)。該模式下的寄存器包括 SMBAdd、VBGT、VREFT、MOsct 和 AOsct 等，用于設(shè)置 SMBus 地址、帶隙電壓調(diào)整、電壓參考調(diào)整、主振蕩器調(diào)整和輔助振蕩器調(diào)整等。

電氣特性

PS700 的電氣特性包括絕對(duì)最大額定值、直流特性、交流特性、A/D 轉(zhuǎn)換器特性、硅時(shí)基特性和溫度測(cè)量精度等。這些特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保設(shè)備在規(guī)定的條件下正常工作。

封裝信息

PS700 采用 8 引腳塑料薄收縮小外形（TSSOP）封裝，提供了詳細(xì)的封裝尺寸信息，包括引腳數(shù)量、間距、高度、寬度等，方便工程師進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)。

PS700 以其豐富的功能、高精度的測(cè)量和靈活的操作模式，為電池監(jiān)測(cè)和管理提供了全面的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)具體需求合理配置 PS700 的各項(xiàng)參數(shù)和寄存器，以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的電池監(jiān)測(cè)和管理。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)與 PS700 相關(guān)的問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。