CN103117567B - 一种具有充放电及电量检测功能的芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有充放电及电量检测功能的芯片包括：充电模块，用于对电池进行充电管理；DC/DC转换模块，用于接收来自电池的供电，并向负载供电；采样模块，用于对电池的温度、电压和电流进行采样；转换模块，用于将温度、电压和电流信号转换为温度、电压和电流的数字信号；接口模块，用于与芯片的外部进行通讯；中断控制模块，用于控制芯片的中断源发送中断请求；控制模块，根据温度、电压和电流的数字信号监测电池的可用剩余容量及电池的全部可用容量，并对充电模块和DC/DC转换模块进行控制，以及通过接口模块与芯片的外部进行通讯，响应中断请求。本发明的具有充放电及电量检测功能的芯片不仅应用灵活而且结构简单、功耗低。

Description

一种具有充放电及电量检测功能的芯片

技术领域

本发明涉及多功能电池管理技术领域，特别设计一种具有充放电及电量检测功能的芯片。

背景技术

对电池的管理主要涉及充电、放电和监测方面。传统的对对可充电电池的管理方面涉及：

充电方案：由电源到充电管理模块(CHARGER)到电池；

放电方案：1.电池直接到用电设备；2.电池经过DCDC(或是其他稳压功能模块)后再提供给设备；

电量监测：电量计实现。

对于不同的电池应用领域，所需要的电池管理方案不一样，因而传统的电源功能的芯片皆为单一功能。但随着近年来充电电池运用领域不断加大，对电池运用的综合管理也成了必然。传统解决具备对电池充电、放电和电量监测的大多方案为采用充电管理(CHARGER)芯片、DCDC芯片、电量计和外围器件完成，不仅电路复杂、占用空间大，影响最为严重的是功耗大且成本昂贵。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种具有应用灵活且功耗低的具有充放电及电量检测功能的芯片。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种具有充放电及电量检测功能的芯片，包括：充电模块，用于对电池进行充电管理；DC/DC转换模块，用于接收来自所述电池的供电，并向负载供电；采样模块，用于对所述电池的温度、电压和电流进行采样；转换模块，所述转换模块与所述采样模块相连，用于将所述温度、电压和电流信号转换为温度、电压和电流的数字信号；接口模块，用于与芯片的外部进行通讯；中断控制模块，用于控制所述芯片的中断源发送中断请求；以及控制模块，所述控制模块分别与所述充电模块、所述DC/DC转换模块、所述转换模块、所述接口模块和所述中断控制模块相连，所述控制模块根据来自所述转换模块的所述温度、电压和电流的数字信号监测所述电池的可用剩余容量及所述电池的全部可用容量，并对所述充电模块和所述DC/DC转换模块进行控制，以及通过所述接口模块与所述芯片的外部进行通讯，响应所述中断请求。

根据本发明实施例的具有充放电及电量检测功能的芯片，可以实现对电池的智能控制，具有较高的控制精度，并且将电量计算、DC/DC转换和充电管理集成到一起，从而使得芯片具有更小的面积，更少的管脚以及需要更少的外围器件，达到减小体积、提高性能降低成本和功耗的目的。电路参数可以根据不同的应用环境和电池型号由软件进行相应更改，提高产品的适应能力和实用性。采用控制模块进行中央控制，不仅可以实现控制的灵活性，也提高产了品实用性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的具有充放电及电量检测功能的芯片的示意图；

图2为图1所示的具有充放电及电量检测功能的芯片的结构示意图；

图3为图1中的充电模块的电路图；

图4为图1中DC/DC转换模块的电路图；

图5为图1所示的具有充放电及电量检测功能的芯片的供电示意图；

图6为电池的电量计算示意图；和

图7为图1所示的具有充放电及电量检测功能的芯片的工作模式的切换示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1至图7描述根据本发明实施例的具有充放电及电量检测功能的芯片100。

如图1所示，本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100包括：充电模块110，用于对电池进行充电管理；DC/DC转换模块120，用于对电池供电；采样模块130，用于对电池的温度、电压和电流进行采样；转换模块140，与采样模块130相连，用于将温度、电压和电流信号转换为温度、电压和电流的数字信号；接口模块150，用于与芯片100的外部进行通讯；中断控制模块160，用于控制芯片100的中断源发送中断请求；控制模块170，分别与充电模块110、DC/DC转换模块120、转换模块140、接口模块150和中断控制模块160相连，控制模块170根据来自转换模块140的温度、电压和电流的数字信号监测电池的可用剩余容量及电池的全部可用容量，并对充电模块110和DC/DC转换模块120进行控制，以及通过接口模块150与芯片的外部进行通讯，响应中断请求。

根据本发明实施例的具有充放电及电量检测功能的芯片，可以实现对电池的智能控制，具有较高的控制精度，并且将电量计算、DC/DC转换和充电管理集成到一起，从而使得芯片具有更小的面积，更少的管脚以及需要更少的外围器件，达到减小体积、提高性能降低成本和功耗的目的。电路参数可以根据不同的应用环境和电池型号由软件进行相应更改，提高产品的适应能力和实用性。采用控制模块进行中央控制，不仅可以实现控制的灵活性，也提高产了品实用性。

如图2所示，本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100还包括电源管理(Power Management)模块180，分别与充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170相连，用于为充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170供电，并提供基准电压和偏置电流，以及上电复位功能。具体而言，电源管理模块180包括供电单元(low-dropoutregulator，LDO)181，用于向充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170供电；上电复位单元(power on reset，POR)，用于向充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170提供上电复位功能；基准电压及偏置电流单元，用于向充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170提供基准电压和偏置电流。

在本发明的一个实施例中，本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100还包括时钟管理模块190。时钟管理模块190分别与DC/DC转换模块120和控制模块170相连，用于为DC/DC转换模块120和控制模块170提供时钟。

在本发明的一个实施例中，接口模块150包括I2C(inter integrated circuit，两线式串行总线)单元和GPIO(general purpose input output，通用输入/输出接口)控制单元。

I2C单元负责实现标准I2C从机协议。正常工作模式下负责响应外部主机请求，由控制模块170负责管理和指令分析。GPIO单元是由控制模块170的P口实现，共一组8位。可以实现的工作模式包括：LED灯任意显示、段码屏显示、单总线从机端、按键输入(中断形式)以及串口和并口输入。

可理解，上述工作模式只是出于示例的目的，接口模块150可以实现的工作模式不限于上述实施例。

在本发明的又一个实施例中，控制模块170可以为8051单片机，可以实现所有数字模拟模块的初始化、电量运算与存储、响应外部通讯和中断请求。

中断控制模块160负责管理全芯片中断源，安排中断寄存器、中断屏蔽、中断优先级等。

在本发明的一个实施例中，控制模块170包括微控制单元171、静态存储器172、闪存(Flash)及闪存控制器173，其中，闪存控制器173对Flash数据和编码数据区进行读写访问。

在本发明的又一个实施例中，本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100还包括计时器(Watch Dog)300，用于监测芯片100的运行状态。

下面结合图3至图7对具有充放电及电量检测功能的芯片100的充电过程进行描述。

采样模块130对电池的温度、电压和电流进行采样，得到电池的温度信号、电压信号和电流信号。然后，采样模块130将上述电信号发送至转换模块140，由转换模块140将上述电信号转换为相应的数字信号，即转换为温度数字信号、电压数字信号和电流数字信号。转换模块140将上述转换后的温度数字信号、电压数字信号和电流数字信号发送至控制模块170，作为电池的电量计算的参考数据。

控制模块170根据接收到的上述参考数据获取电池的状态以及芯片的工作环境，从而控制充电模块110、DC/DC转换模块120、转换模块140、接口模块150和中断控制模块160进入相应的工作状态。

充电模块110在控制模块170的控制下具有以下三种充电模式：

(1)涓流模式：控制模块170根据接收到的参考数据，判断电池电压小于第一阈值时，控制充电模块110以涓流对电池进行充电。在本发明的一个示例中，当电池为锂电池时，第一阈值可以为3V。

(2)恒流模式：控制模块170根据接收到的参考数据，判断电池电压大于第一阈值但小于第二阈值时，控制充电模块110以恒流对电池进行充电。在本发明的一个示例中，当电池为锂电池时，第二阈值可以为4.2V。

(3)恒压模式，控制模块170根据接收到的参考数据，判断电池电压大于第二阈值时，控制充电模块110以恒压进行充电。充电模块110在对电池进行恒压充电过程中，如果充电电流低于预设电流阈值，则认为电池已经充满，充电模块110停止充电。

在本发明的一个实施例中，具有充放电及电量检测功能的芯片100还包括存储器，用于保存第一阈值、第二阈值、预设电流阈值和电量计算参数。电量计算参数包括采样模块130采集到的电池参数和电池基本参数。其中，采样模块130采集到的电池参数包括：电池的温度、电压和电流。

在本发明的一个实施例中，存储器可以为SRAM(Static RAM，静态存储器)。

如图3所示，控制模块170还包括充电模式控制(MODE CONTROL)单元111和模式切换(MODE SWITH)单元112，其中，充电模式控制单元111通过判断电池200的状态来改变对电池的充电状态。充电模式控制单元111可以由检测电路和多个比较器实现，也可以集成在微控制单元171中。模式切换(MODE SWITH)单元在控制模块170的控制恒流/恒压的切换。

温度检测单元113用于检测电池的温度。其中，温度检测单元113可以集成在采样模块130中。充电模块110根据控制模块170选定的模式，由功率管对电池进行充电。

在本发明的一个实施例中，充电模块110对电池进行充电的电量由外部直流电源供电。在不对电池进行充电时，充电模块110停止工作，不消耗电源。当有电源接入时，例如电源管理模块180向充电模块110供电时，充电模块110自己启动以向电池充电。

由于电池的电压随电池电量的变化波动较大，而且电池自身的电压不适合负载的要求，需要对电池输出的电压进行转换。DC/DC转换模块120由电池进行供电，并将来自电池的电量进行转换以向负载供电。在本发明的一个实施例中，DC/DC转换模块120将电池输出的电压升高/降低后再提供给负载。

图4示出了升压型DC/DC转换模块120的电路图。DC/DC转换模块120通过周期性间断工作，通过控制开关器件的占空比来调整输出电压，从而可以向负载提供合适的电压。DC/DC转换模块120中部分器件可以共用参考电压(Vref)、偏置电流(Bias)和振荡器(OSC)等，电路结构简单，易于实现。具体地，电池输出的电压VBAT输入到电感L，将DCDC使能信号DCDC_EN分别接入到软启动单元(Start_up)1和使能端(EN)3，软启动单元1向时钟单元(OSC)2发出启动信号，时钟单元2向控制逻辑单元(Swiching Logic)9提供时钟信号。时钟单元2进一步向斜波补偿单元(slope comp)4提供时钟信号，斜波补偿单元4输出信号值电流检测单元(I_sence)8。VBGR输入作为参考电压Vref，PBIAS提供偏置电流Bias，偏置电流Bias对参考电压Vref进行调整。经过调整后的参考电压Vref分别输入到误差放大器(EA)5的一个输入端和过压检测单元(0V)7的一个输入端。误差放大器5的输出端与比较器6的一个输入端相连，比较器6的另一个输入端与电流检测单元8相连。电流检测单元接收电流检测信号I_SEN以检测电流。输出电压反馈接入过压检测单元7的另一个输入端。比较器6和过压检测单元7的输出端接入控制逻辑单元9。接入电池电压VBAT的电感L与二极管D的正极相连，二极管D的负极与电容C2和负载10相连，其中电容C2和负载10并联，负载10接收电池的供电。

如图5所示，由电源管理模块180向具有充放电及电量检测功能的芯片100的充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170供电，充电模块110在控制模块170的控制下采用相应的模式向电池供电。电池200进一步向DC/DC转换模块120供电，DC/DC转换模块120将电池输出的电压进行转换，再将转换后的电压Vout输出至外围设备，再由外围设备输出到负载以向负载供电。供电单元181向充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170供电。

在本发明的一个实施例中，控制模块170可以实时监测电池的可用剩余容量(RM)和电池的全部可用容量(FCC)。具体而言，如图6所示，由采样模块130采集到的电池的温度、电压和电流的电信号通过转换模块140转换为相应的数字信号并发送至控制模块170的微控制单元171。微控制单元171的时钟由时钟管理模块190提供。控制模块170根据由电池的温度、电压和电流获得的电池状态以及静态存储器172中存储的电池的基本参数进行电量计算。由于具有充放电及电量检测功能的芯片100中的充电模块110和DC/DC转换模块120中任一个模块的工作均会影响到电池的电量，因此只要充电模块110和DC/DC转换模块120中任一个工作，则必须计算电池的电量以更新电池数据。

本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100的工作模式包括：

(1)正常模式：当充电模块110和DC/DC转换模块120任一个处于工作状态时，具有充放电及电量检测功能的芯片100执行正常模式。

(2)挂起模式：当充电模块110和DC/DC转换模块120均未处于工作状态时，具有充放电及电量检测功能的芯片100执行挂起模式。

(3)休眠模式，具有充放电及电量检测功能的芯片100执行挂起模式的时间超过预定时间后，转入休眠模式。

下面参考图7描述具有充放电及电量检测功能的芯片100的工作模式的切换过程。

S701：首先利用电源管理模块180对充电模块110、DC/DC转换模块120和控制模块170上电。

S702：具有充放电及电量检测功能的芯片100上电复位后进入正常模式，控制模块170收集电池的状态以及电池所在环境的相关信息，综合上述信息之后开始进行判断。充电模块110对电池进行充电，默认为涓流充电状态。

S703：在正常模式下，判断是否进行充放电或通讯，即判断充电模块110和DC/DC转换模块120是否处于工作状态。其中，判断是否进行通讯，例如为判断是否要求显示电量。如果判断进行充放电或通讯，则执行步骤S701，继续执行正常模式，否则执行步骤S704。

S704：执行挂起模式，降低功耗。

S705：在挂起模式下，判断是否进行充放电或通讯，即判断充电模块110和DC/DC转换模块120是否处于工作状态。如果是，则执行S701，正常模式，否则执行S706。

S706：判断芯片100长时间无动作。

S707：在挂起模式下，采用定时唤醒将挂起模式或休眠模式恢复至正常模式以进行电量的精确计算。其中，定时唤醒的时间越短，则电量计算越精确。

S708：执行休眠模式，从而更深度地节省功耗。在休眠模式下，判断是否进行充放电或通讯，即判断充电模块110和DC/DC转换模块120是否处于工作状态。如果是，则执行步骤S701，进入正常模式，否则继续执行休眠模式。

在本发明的一个实施例中，具有充放电及电量检测功能的芯片100从挂起模式或休眠模式转入正常模式时，通过中断控制模块160对控制模块170执行中断唤醒以进入使芯片100进入正常模式。

在本发明的一个实施例中，具有充放电及电量检测功能的芯片100还包括计时器，控制模块170根据计时器的计时时间定时恢复正常工作以更新电量。由于在休眠模式下，控制模块170对电量的计算有轻微的影响，采用定时唤醒将挂起模式或休眠模式恢复至正常模式以进行电量的精确计算。其中，定时唤醒的时间越短，则电量计算越精确。

下面分别对具有充放电及电量检测功能的芯片100的正常模式、挂起模式和休眠模式进行详细描述。

A.正常模式

在本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100上电复位后即进入正常模式。这是由于具有充放电及电量检测功能的芯片100刚开始工作，必须进入正常模式，控制模块170才能收集电池和环境信息以判断该进入的模式，相当于初始化。在此基础上，控制模块170才会根据不同的信息进入不同的模式。在正常模式下，各模块均具有正常工作能力，可根据工作条件和控制模块170的指令在不同状态下工作。

下面对正常模式下的各个模块的工作情况进行说明：

1)充电模块110上电后默认进入涓流充电使能状态，然后控制模块170根据充电状态控制充电模块110完成涓流，恒流和恒压等模式切换及开启关闭。由于控制模块170是由电池供电，如果电池没电了，控制模块170将无法工作。充电模块110由电源适配器(Adapter)供电，即使电池没电时，当插上电源适配器(Adapter)后，充电模块110可以自己启动给电池充电，默认的充电模式为涓流充电。当充电模块110给电池充电到一定程度之后，控制模块170获得了电源，开始工作，稳定后再控制充电模块110，从而可以避免电池过放导致芯片100无法重新启动。

2)DC-DC转换模块120根据可通过控制模块170响应外部按键请求，为负载提供电流，在负载不需要电流后自动关闭。

3)采样模块130和转换模块140以默认电流，电压，温度采样速率工作，同时可在控制模块170的控制下调整采样速率。

4)控制模块170正常计算电量，并及时将数据通过接口模块150输出，同时快速处理各种中断请求。

5)接口模块150处于正常工作状态，随时处理各种通信任务。

B.挂起模式

若本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100未处于充放电和通信状态，为节省功耗，将自动进入休眠状态。

下面对休眠模式下的各个模块的工作情况进行说明：

1)充电模块110不工作，但具有充电能力，一旦电源适配器插入即可进入涓流充电状态，充电模块110工作之后，如前所述，电池的电量将会发生较大变化，因而充电模块110启动的同时通过中断控制模块160中断唤醒控制模块170进入工作模式，以便电量计算和后续控制。

2)DC-DC转换模块120不工作，放电按键可以触发控制模块170恢复正常工作，同时激活DC-DC转换模块120正常工作。

3)控制模块170根据计时器，定时恢复正常工作，执行算法，更新电量。其中，定时的时间为可调整的。

4)采样模块130和转换模块140默认不工作，可定期由控制模块170唤醒执行采样与转换，采样率可由控制模块170编程设置。其中，定时的时间为可调整的。

5)接口模块150默认不工作，但可以通过中断方式唤醒控制模块170处理外部通信。

C.休眠模式

休眠模式是基于挂起模式的深度省电模式，如果控制模块170发现芯片100长期处于挂起模式，那么将会进入此模式。此模式下几乎所有模块处于关闭状态，功耗极低。

下面对休眠模式下的各个模块的工作情况进行说明：

1)充电模块110不工作，但具有充电能力，一旦电源适配器插入即可进入涓流充电状态，同时通过中断控制模块160中断唤醒控制模块170进入工作模式。

2)DC-DC转换模块120不工作，放电按键可以触发恢复正常工作，同时激活DC-DC转换模块120正常工作。

3)控制模块170不工作，需要外部中断唤醒。

4)采样模块130和转换模块140不工作。

5)接口模块150不工作，但可以由外界触发唤醒系统；

6)时钟管理模块190不工作，但可有外界触发及充电唤醒。

本发明实施例提供的具有充放电及电量检测功能的芯片100进入休眠模式前需要保存各种信息，恢复休眠模式时系统需要复位。

根据本发明实施例的具有充放电及电量检测功能的芯片，可以实现对电池的智能控制，具有较高的控制精度，并且将电量计算、DC/DC转换和充电管理集成到一起，从而使得芯片具有更小的面积，更少的管脚以及需要更少的外围器件，达到减小体积、提高性能降低成本和功耗的目的。并且，充电模块的第一阈值、第二阈值和预设电流阈值均可以由控制模块统一控制。电路参数可以根据不同的应用环境和电池型号由软件进行相应更改，提高产品的适应能力和实用性。采用控制模块进行中央控制，不仅到达控制的灵活性，也提高产了品实用性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，包括：

充电模块，用于对电池进行充电管理；

DC/DC转换模块，用于接收来自所述电池的供电，并向负载供电；

采样模块，用于对所述电池的温度、电压和电流进行采样；

转换模块，所述转换模块与所述采样模块相连，用于将所述温度、电压和电流信号转换为温度、电压和电流的数字信号；

接口模块，用于与芯片的外部进行通讯；

中断控制模块，用于控制所述芯片的中断源发送中断请求；以及

控制模块，所述控制模块分别与所述充电模块、所述DC/DC转换模块、所述转换模块、所述接口模块和所述中断控制模块相连，所述控制模块根据来自所述转换模块的所述温度、电压和电流的数字信号监测所述电池的可用剩余容量及所述电池的全部可用容量，并对所述充电模块和所述DC/DC转换模块进行控制，以及通过所述接口模块与所述芯片的外部进行通讯，响应所述中断请求，

其中，所述芯片工作模式包括正常模式、挂起模式和休眠模式，其中，在所述充电模块和所述DC/DC转换模块任一个处于工作状态时，所述芯片工作在所述正常模式；在充电模块和所述DC/DC转换模块均未处于工作状态，且未处于通信状态时，所述芯片工作在所述挂起模式；在所述芯片处于所述挂起模式的时间超过预定时间之后，所述芯片工作在所述休眠模式。

2.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，还包括：

时钟管理模块，所述时钟管理模块分别与所述DC/DC转换模块和所述控制模块相连，用于为所述DC/DC转换模块和所述控制模块提供时钟。

3.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，还包括：

电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述充电模块、所述DC/DC转换模块和所述控制模块相连，用于为所述充电模块、所述DC/DC转换模块和所述控制模块供电，并提供基准电压和偏置电流，以及提供上电复位功能。

4.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，所述控制模块在所述电池电压小于第一阈值时，控制所述充电模块以涓流进行充电；所述控制模块在所述电池电压大于第一阈值但小于第二阈值时，控制所述充电模块以恒流进行充电；所述控制模块在所述电池电压大于第二阈值时，控制所述充电模块以恒压进行充电。

5.如权利要求4所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，还包括存储器，用于保存所述第一阈值和所述第二阈值，及电量计算参数。

6.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，在所述芯片上电复位后进入所述正常模式，且所述充电模块默认为涓流充电状态。

7.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，在所述芯片从挂起模式或休眠模式转入正常模式时，通过中断唤醒所述控制模块进入正常模式。

8.如权利要求1所述的具有充放电及电量检测功能的芯片，其特征在于，还包括计时器，所述控制模块根据所述计时器的计时时间定时恢复正常工作以更新电量。