BQ2040

说明

笔记本电池内有电池控制板。它控制电池的充放电，还要承担电池状况的分析记录，并在电池温度过高或者电流过大时切断电路．起到保护电池的作用。控制电路位于电芯和笔记本电脑主板之间，主要分为保护电路和电池能源管理电路(进行电池组与主机通讯及电池使用情况的管理)两部分。

bq2040电池能源管理集成电路可以用来精确记录独立电池组或安装状态电池的电量，它支持镍镉(NiCd)

电池、镍氢(NiMH)电池、锂离子(Li-ion)电池的容量测量，bq2040采用电源系统管理Vei1.0(SMBus)协议，支持智能电池数据管理命令(SBData)和智能电池充电控制(SBData)功能，通过串行接口可以测试电池充电状态、剩余电量、放电剩余时间、电池材料等信息。

电池状态可用4位LED形象地来表示，通过内部计数器和温度传感器估算自放电程度，也通过放电周期来校准和更新电池实际容量，外接EEPROM内写有初始化程序，控制电池的管理工作。

2 引脚定义

bq2040引脚排列如图1所示，引脚功能如下：

Vcc：供电输入。

ESCL：串行存储器时钟端，用来在bq2040和外部非易失存储器间锁定数据传输。

ESDA：串行存储器数据和地址I／O端，双向传输，用来在bq2040和外部非易失存储器间传输数据和地址。

LED1～LFD4：LED显示输出端，每个输出都可以接一个LED，指示电池的状态。

VSS：接地端。

SR：检测电阻输入端，接检测电阻和电池负极，用SR引脚和VSS地间的电压降(VSR)说明电池的充放电

活动情况。VSR

DISP：显示控制输入，DISP高电平时LED显示无效；DISP悬空且充电电流大于100 mA时LED显示充电状态；DISP低电平时，LED显示有效。

SB：第二电池输入端。通过高阻分压网络监测电池电压，电池电压状态存放在电压功能寄存器SBD(0x09)中，它用来监测满充电压和充电参数。

PSTAT：保护状态输入端。根据Li-ion保护电路提供过压状态和充电挂起请求。

SMBD：SM数据总线。为漏极开路双向传输端，与bq2040之间进行地址和数据传输。

SMBC：SM时钟总线。为漏极开路双向传输端，与bq2040通讯时，用来锁定数据传输。

REF：参考电压端，为场效应管稳压输出提供参考电压。

VOUT：供电输出端。为外围配置EEPROM及其他电路提供电压。

3 功能描述

3.1 操作过程

bq2040通过检测充电电池的充放电量来确定电池容量。bq2040通过监测充放电电流、估算自放电程度、监测低电压门限、检测电池负极和地之间传感电阻的电压来监视充电状态。它还通过检测电压随时间的变化来检测充电并根据环境和操作情况修正测量结果。

图2所示为bq2040采用LED进行电池容量显示的典型应用电路。它内部有热敏传感器，进行过热保护等控制。串口和外部EEPROM用来编程、存放电池初始化信息，bq2040必须输入电池参数以及电池校准信息才能正确地工作。且初始化配置信息必须正确编程到EEPROM。EEPROM的配置如表1所示。

内存

3.2 门限电压

监测VSR可监测充放电流，通过SB脚检测电池容量，电池容量通过分压电阻网络确定。MBV是最大电压，R5连接电池正极，R4连接电池负极。R5／R4应该接近一个整数，SB引脚电压(VSB)应该不超过2.

4 V。检测电池电压可用来确定放电终止电压(EDV1和EDVF)和报警条件。EDV门限电平用来确定什么时候电池处于亏电状态，当电池电压超过最大充电电压5％或电压低于EDVF时报警。电池容量、EDV门限电平、充电电压都编程到EEPROM。如果VSB低于任何一个EDV门限电平，有关标志锁定，直到下一个有效充电。在有些情况下可以取消EDV检测。如果放电电流比存放在EEPROM中0x2c和0x2d处的值大，EDV检测取消，直到充电电流低于存储器写入值。

电路图

3.3 复位

刚接上电池组，bq2040开始复位。开机后，bq2040先进行初始化，然后才开始读取EEPROM配置存储器。bq2040也可以由命令通过SM总线复位。软件复位步骤如下：

(1) 写0x0000到最大误差标志MaxError(0x0c)。

(2) 写0x8009到复位寄存器(0x64)。只有当上电时EEPROM(0x3d)中的数据处于解锁状态，才可以进行软件复位。

3.4 温度

bq2040通过内部温度传感器检测温度，在控制充电期间进行充电和自放电补偿以及检测最大的温度。它还可以通过0x08指令由SM总线来获得温度值。

3.5 布局考虑

bq2040检测SR和VSS引脚的电压变化，SR的电压偏移VOS受电路板布局影响很大，为了得到最佳结果，必须严格保证一点接地，大电流和小信号共地将在小信号节点处引起噪声干扰；电容C1和C2尽可能靠近SB和VCC，并且对地VSS路径尽能短；推荐在电源VCC接一只0.1μF的瓷片电容，电容C3尽可能靠近SR引脚，为了进行准确的温度测量，bq2040应该紧密贴紧电池。

4 控制过程

bq2040的控制过程如图3所示。bq2040可进行充电放电和自放电监测，充电可根据温度和充电状态进行补偿；自放电也可以进行温度补偿，主计数器RM表示任意时刻的剩余电量，充电增加计数器RM的值，反之放电和自放电减少RM的值并增加内部放电计数器DCR的值。在完全放电状态下，根据DCR的值来修正满充电计数器FCC，它根据放电实际情况来确定电池容量，电池的初始值存放在0x60～0x61位置，空电状态也编程到EEPROM，剩余电量百分比存放地址为0x2e，当电池电压低于放电终止电压门限EDV 1值时，此值将写入剩余电量RM。

在通电或者复位时，存放在EEPROM中的数据读人满充电计数器FCC，随着放电的进行，最新测量的放电计数器DCR的值和电压降低量之和校正FCC的值，FCC用满电平100％显示充电状态。

电池设计容量DC是由用户指定的电池容量并且编程到EEPROM。

电池剩余电量RM的值在充电到满电平FCC时增加到最大，在放电和自放电时减少，电平低于EDV1，R M置为低电平，如果RM已经低于或等于低电平，RM的值不变，当低电平达到EDVF时，RM设为0，

流程图

为防止过充电，当RM=FCC时，RM停止增加，在充电满时，RM何以由用户自定义值，初始状态RM设为0。

放电计数器DCR在放电时开始记数，它独立于RM，即使RM降为0，它仍然可以增加。在RM=0之前，放电和自放电都可以增加DCR，当RM=O后，只有自放电增加DCR的值。当RM=FCC时，FCC复位为0，放电到EDV1时，FCC停止记数。当DCR达到FFFFh时，DCR停止记数，但不循环。

当检测到SR脚有正电压输入，充电激活，根据VSRO按一定比例增加RM的值，充电到一定程度，激活LED显示，RM也受充电状态和温度影响。

当VSRO<-VSRD时放电计数器工作，RM减少而DCR增加，VSRD是可编程门限电压。

当放电标志寄存器有效，RM继续减少，DCR继续增加，自放电估算率存放在0x4F位置，

bq2040支持SBS充电控制，向智能充电地址广播充电电流和充电电压，每隔10秒钟广播充电命令，可以通过置1电池模式的14位来禁止广播，复位时，地址0x08～0x09存放的初始充电电流被加载，根据电池的充电状态、充电电压和温度可以修改广播的充电电流。

一旦检测到有效的充电结束标志，电池状态寄存器的满充位、充电结束报警位和过充电位置位，继续充电电流设为0。一旦终止条件结束，充电终止报警和过充电报警清0，继续充电电流设置为维持状态，直到R M的值降到设置的比例，这时满充位清0，继续充电电流和电压设置为快充状态。

标志寄存器FLAGS2的4位决定RM的状态，如果CC=1，RM可以设为全充电容量的0-100％，如果R

M低于满充电容量，RM设置为满充电容量，如果RM高于满充电容量，RM不做修改。

如果存在充电错误，bq2040可以暂停充电，充电错误包括：

(1) 最大过充电容量

如果最大过充电超过RM=FCC，满充电位置1，继续充电电流设置为维持状态。

(2) 过压状态

当检测的电压超过充电电压5％，产生过压错误。当bq2040检测到过压状态，继续充电电流设置为0，充电结束报警位置1，当充电电流或电压降落到一定值，报警位清除。

(3) 过电流状态

当检测到充电电流超过设置电流的25％时，产生过流错误。继续充电电流设置为0，充电终止报警位置1，当充电电流降落到一定值，报警位清除。

(4) 最大温度

当电池温度达到设置的最大温度时，继续充电电流设置为0，过温报警和充电终止报警位置1，当温度降落到一定值，过温报警位清0。

(5) PSTAT

当PSTAT输入超过1.5 V，继续充电电流位清0，在放电标志为0时，充电终止报警位置1。当PSATA 输入小于1 V或放电标志为1时，报警位清0。

(6) 低温状态

当电池温度低于12℃，继续充电电流位处于维持状态，一旦温度高于15℃，继续充电位设为快充电状态。

(7) 低电压状态

当电池温度低于EDVF门限，继续充电电流位设为EDVF，一旦充电电压高于EDVF，继续充电电流设为快充或维持状态。