TW201251251A - Event system and timekeeping for battery management and protection system - Google Patents

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201251251 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電池系統，更特定而言係關於一種電 池管理及保護系統。 【先前技術】 某些現代可攜式裝置（例如，膝上型電腦、行動電話、 數位相機、視訊攝影機、媒體播放器、個人數位助理 (PDA)、遊戲控制臺）包含電池組。一特定類型之電池組包 含耦合至一或多個積體電路（IC)晶片之一或多個電池單 元。該等晶片通常包含一控制器（例如，一微控制器）及電 路且除其他以外還提供電池單元管理及保護。 某些電池組包含一U離子（鋰離子）電池單元，其實質上 係封裝於一圓冑或其他殼體内之一揮發性化學反應。電位 能儲存於每一電池單元令，且若該電池單元曝露至其規格 以外之條件’則該單元可過熱、著火或爆炸。組態有此等 揮發性電池單元之某些電池組包含用於偵測不安全狀況 (例如，充電或放電過電流、短路等）且用於採取校正動作 以防止對電池單元及/或裝置造成損壞且保護最終使用者 之保護電路。 【發明内容】 在隨附圖式及以下說明中列舉本發明之一或多個實施方 案之細節。 根據一個態樣，操作一電池管理及保護系統包含產生— 事件集合，該事件集合中之每一去呈古 欠口t 母者具有一各別頻率F/η丨、 160619.doc 201251251 F/n2 ... F/nm，其中ni係整數。將該等事件中之一或多者提 供至該系統中之一或多個模組。獨立於一中央處理單元產 生並提供至該等模組之該等事件觸發該等模組對各別動作 之執行。 某些實施方案包含以下優點中之一或多者。舉例而言， 所揭示之技術及事件系統可促進在不需要涉及韌體之情形 下（亦即，獨立於CPU 202)使一電池管理及保護系統中之 臨界任務及非臨界任務兩者自動化。因此，舉例而言該 等技術及該事件系統可幫助針對臨界任務提供一安全且可 預測之處置及回應時間，且可減小對韌體資格限制之要 求。該等技術及事件系統亦可幫助減小電力消耗。在某些 貫施方案中，可不存在前述優點中之某些或全部。 依據說明及各圖式並依據申請專利範圍，本發明之其他 態樣、特徵及優點將顯而易見。 【實施方式】 在以下說明中’參考其中一微控制器、非揮發性記憶體 及其他電路組件整合於單個積體電路中之一單晶片電池管 =及保護系統ϋ該系統亦可以-多晶片解決方案來 實現。如下文所闡述’該電池管理及保護系統包含自治安 全及量測特徵且可⑽（舉例而言）—Li離子或其他電池管 理及保護系統中。 〇圖所圖解說明，一電池組100可耦合至一裝置102或 一充電器104。當電池組100耦合至充電器104時，電池組 100之端子（例如，正端子及負端子以及-通信端子）由一媒 160619.doc 201251251 介106耦合至充電器1〇4之對應端子（亦即，正端子及負端 子以及通信端子）以允許與電池組1〇〇相關聯之電池單元之 充電。媒介106可係呈接線、引線、接針或其他電連接構 件之形式。 類似地’當電池組100耦合至裝置1〇2時，電池組之 端子（亦即，正端子及負端子以及通信端子）由一媒介1〇8耦 合至裝置102之對應端子（亦即，正端子及負端子以及通信 端子）以允許裝置102之操作。媒介108可係呈接線、引 線、接針或其他電連接構件之形式。在某些實施方案中， 電池組1〇〇亦在各別通信埠處耦合至裝置1〇2及充電器 104，該等各別通信埠允許資訊（例如，命令及控制）在裝置 102/充電器1〇4與電池組100之間的傳送。可交換之資訊之 一個實例包含電池電荷位準（亦即，電容）。 如圖2中所展示，電池組1〇〇包含一或多個電池單元 120、離散電晶體丨1〇、i 12、一感測電阻器及一電池管 理及保護系統丨3〇。系統130包含各種組件，如下文所論 述，該等各種組件可整合於一單個封裝中（例如，整合至 -單個積體電路中)或單獨地封裝。離散電晶體ιι〇、口ιΐ2 可與系統130分離且包含於一單獨封裝中或可與其他系統 組件封裝在一起。 離散電晶體110、112用作將電池單元12〇自外部電池組 而子(亦βρ外電池組正端子140及負端子15〇)斷開之開 關。在所圖解說明之實施方案中，展示兩個離散電晶體， 其可實施為（舉例而言）場效電晶體（FET)e儘管可使用其他 160619.doc 201251251 電晶體技術，但FET在製程、效能（例如，導通電阻）、成 本及大小方面呈現優點。在所展示之實施方案中，提供兩 個電晶體且其表示單獨充電電晶體丨1〇及放電電晶體丨12。 充電電晶體110用以達成電池單元120之安全充電。放電電 晶體112用以實現電池單元12〇之安全放電。 如圖2中所圖解說明，充電電晶體11〇與放電電晶體ιΐ2 串聯耦合。在某些實施方案中，使用兩個N通道fet(nfet) 電晶體且其以一串聯組態汲極_汲極耦合^在其他實施方 案中，可使用兩個P通道FET(PFET)電晶體。在一打耵解 決方案中，可需要額外二極體來提供電力至系統13〇。 在所圖解說明之實施方案中，充電電晶體11〇與放電電 晶體112以一高側組態（亦即，串聯電晶體耦合至電池單元 之高側，此與f低側組態相反）耦合。在所展示之高側組 態中，充電電晶體110之一個端子（例如，源極）耦合至電池 單元120之正端子。放電電晶體112之一個端子（例如，源 極）耦合至外部電池組正端子15〇。充電電晶體丨1〇與放電 電晶體112之各別第二端子彼此耦合（從而形成一汲極-汲極 接面）。充電電晶體11〇與放電電晶體112之閘極分別在輸 入OC及OD處耦合至系統130 〇 FET電晶體110、1 π之間的接面在一輸入（VFET)處耦合 至系統13 0，该輸入提供操作電力至系統13 〇。一晶片上低 壓差（LDO)電壓調節器調節VFET端子處之電壓以為内部邏 輯、I/O線及類比電路提供一適合供電電壓（例如，2.2 V)〇此經調節電壓亦提供至外部接針vreg。 160619.doc 201251251 電池單元120係一可再充電電池且可呈鐘離子（Li離子）或 經聚。物（Li聚合物）之形式。其他電池技術類型亦係可能 的:在提供多個電池單元之情形下，電池單元串聯 '並聯 或以串聯與並聯之一組合形式耦合。在所圖解說明之實施 方案t，Ί池單元12〇之正端子麵合至系統(例如，以 允终在輸人P V1處偵測電池電壓位準）絲合至離散電晶體 中之—者（亦即，充電電晶體110)β電池單元120之負端子 亦麵合至系統13。(例如，以允許在輸人财處_電池電壓 位準）且耦合至感測電阻器114之一個端子。感測電阻器 Π4耦合至系統13〇(以允許在輸入ρι處量測流經感測電阻 器114之電流）。感測電阻器之第二端子耦合至局部接地（智 慧電池局部接地）、系統13〇(以允許在輸入ni處量測流經 感測電阻器114之電流）及電池組1〇〇之外部電池組負端子 14〇。儘官展不一單個電池單元實施方案，但電池組丨〇〇中 可包含其他數目個電池單元。在某些實施方案中，電池組 100亦包含充當一熔絲之電路116。 某些電池技術在使料t之情形下可形成危險狀況。舉 例而5，若過度充電或放電太快，Li離子及Li聚合物電池 可過熱、爆炸或自_。若電池放電太深，則亦可出現危險 狀况。此外，若Li離子及Li聚合物電池放電太深，則其可 丟失其顯著量之充電容量。系統13〇包含監督電子器件以 幫助確保無故障操作。除其他以外，系統130幫助確保流 動至電池單元12〇中及自電池單元丨2〇流動出之電流以及電 池120之電壓及溫度在安全等級内。下文更詳細地論述系 160619.doc 201251251 統130之各種態樣。 如圖3及圖4中所圖解說明，電池管理及保護系統13〇包 含一基於軟體之中央處理單元（cpu)2〇2，中央處理單元 202可基於一 RISC架構實施為（舉例而言）一低電力、cM〇s 8位元微控制It。CPU 202確保正確程式執行且能夠存取記 憶體、執行計算且控制系統中之其他模組。記憶體（例 如，快閃記憶體214)儲存可由CPU 2〇2執行之指令。所圖 解說明之電池管理系統130中之其他記憶冑包含隨機存取 記憶體（RAM)210及EEPROM 212。某些實施方案可包含其 他類型之記憶體。 在所圖解說明之實例中，前文提及之用以為内部邏輯、 I/O線及類比電路提供一合適供電電壓之調節vfet端子電 壓之晶片上LDO調節器可提供為電壓調節器248之部分。 亦在接針VREG(圖2)處提供經調節電壓。 系統130包含執行電池量測且提供電池保護之各種模 組。此等模組包含一電壓類比至數位轉換器（V_ADC)模組 2〇4、一電流類比至數位轉換器（C_ADC)模組2〇6及一電流 保護模組208。下文更詳細地論述此等模組（其包含電路及 邏輯）。 V-ADC模組204可實施為（舉例而言）經優化以用於量測 電壓及溫度之一16位元Σ-△類比至數位轉換器。其包含數 個可選擇輸入通道，諸如定標電池單元電壓、通用輸入 (例如，供用作一外部溫度感測器）、一内部溫度感測器、 定標電池電壓（BATT)及診斷功能。V_ADC 2〇4可執行由韌 160619.doc 201251251 體控制（亦即，由CPU 2G2控制）之單個轉換或通道掃描。 另外，ν-ADC模組204可執行自動電池保護掃描。在單個 轉換/通道掃描模式之-掃描之情形下，cpu 2〇2選擇通道 且開始掃描。相比之下，獨立於勒體（亦即，獨立於cpu 2〇2)執行自動保護掃描。如下文更詳細地闡釋，自動保護 掃描在系統130之啟動期間組態有自動加載之值。v adc 模組204執行—通道掃描且比較所量測值（例如，電池單元 電壓及/或皿度之所量測值）與自動加載之觸發等級。此等 特徵可允許V-ADC模組204提供電池單元電壓及溫度之準 確但可組態之保護等級。 C-ADC模組206經配置以量測流經一外部感測電阻器（例 如圖2中之感測電阻器i 14)之電流。在所圖解說明之實 施方案中，C-ADC模組206提供瞬時輸出及積累輸出兩 者。瞬時電流值可對於電池管理中之各種臨界任務係有用 的，諸如在欠電壓恢復及快速充電期間監督充電電流、監 視電池組之狀態（例如，備用或放電）、提供準確過電流保 護及執行阻抗計算。C_ADC模組2〇6可包含一窗口比較器 207 U判定電池電流是否在一使用者可程式化範圍内。此 特徵可用以（舉例而言）在連接或斷開—充電器時觸發且偵 測過度高充電或放電電流之存在。因此，比較器2〇7可在 瞬時電流在使用者可程式化樣本數之規定範圍外部時產生 —中斷信號或其他事件。在某些實施方案中，比較器2〇7 經址態以在電流太高之情形下產生—「事件」，且在電流 低之情形下產生一中斷信號。下文結合事件系統更詳細地 1606l9.doc -10· 201251251 論述此「事件」及其他「事件」（參照圖6)。 所圖解說明之系統130包含一電壓參考模組244，電壓參 考模組244將一高度準確參考電壓（例如，丨l〇〇 v)以及— 内部溫度參考提供至V_ADC模組2〇4。形成電池量測子系 統之部分之模組當中之連接之一實例圖解說明於圖5中。 亦將參考電壓提供至接針Vref(圖2)。 電流保護模組208以使用者可程式化間隔對感測電阻器 114上之電壓進行取樣且將電壓對照數個可程式化位準進 行比較。藉由用所期望之保護等級程式化快閃記憶體 214(或EEPROM 212)之特定位置來組態保護等級。如下文 更s羊細地闡釋，在系統13〇之啟動期間自動地自此等快閃 記憶體位置加載暫存器。違反計數器實現對過電流及短路 電流之時間過濾《在某些實施方案中，電流保護模組2〇8 經組態以在電流在一規定範圍外部之情形下產生一「事 件」。下文結合事件系統更詳細地論述此「事件」及其他 「事件」（參照圖6)。 電池管理系統13〇亦包含一模組216以控制FET電晶體 110、112。在所圖解說明之實施方案中，fet控制器216包 含耦合至外部裝置之數個輸出（例如，〇C、0D)，該等外 部裝置可由FET控制器216組態以控制電池單元120與一裝 置或充電器之間的電流流動。FET控制器206包含用於在輸 出〇C及OD處產生電壓之電路及邏輯。在某些實施方案 中，OC輸出係耦合至一充電FET(例如，充電電晶體11〇) 之閘極之一高電壓輸出，以完全或部分地啟用或停用該充 160619.doc 201251251 電FET，以在一充電事件期間控制電流流動。〇D輸出係耦 合至一放電FET(例如，放電電晶體112)之閘極之一高電壓 輸出’以完全或部分地啟用或停用該放電FET，以在一放 電事件期間控制電流流動。 CPU 202及其他模組經由—或多個匯流排218(圖3)發送 及接收k號。一個此匯流排係輸入/輸出匯流排2丨8 A(圖 4) °另一匯流排218B用於在系統13〇之啟動期間自快閃記 憶體214加載安全及其他參數。該系統亦包含一中斷匯流 排218C以將中斷信號傳遞至cpu 2〇2或另一模組/自cpu 202或另一模組傳遞中斷信號。另外，一專用路由網路 允許獨立於CPU 202在某些模組之間發送「事件」且下文 結合事件系統予以更詳細論述（參照圖6)。 如圖3中所展示，系統13〇亦包含一睡眠/電力模組以。 下文論述。存在於系統13〇之所圖解說明之實施方案中之 其他組件及模組包含振盪器25〇、喚醒計時器252、監控計 0夺器254、通用異步接收器/發射器（uart)256、雙向兩接 線"面（TWI)匯流排258、晶片上調試（〇cd)模組、中 斷控制器262及振盈器/時鐘控制器264。系統i3Q之一實踐 實施方案可包含其他組件、模組及子系統，出於清晰之目 的已自圖3將其移除。某些實施方案可不包含圖3之實例中 所展示之所有組件、模組及子系統。 安全及校準參數之自動加載 為幫助改良系統130之安全操作，在系統啟動期間，各 種女全及&準參數自動地自非揮發性記憶體上載至該等模 1606l9.doc -12- 201251251 組中之一或多者中之專用輸入/輸出暫存器。 系統可使用安全參數來判定電池i20之安全功能性。在 -特定實施方案中’使用者可程式化安全參數儲存於快閃 記憶體214中之專用位置中。在系統13G之啟動期間，此等 參數係由重設控制器220(圖3)自動地自快閃記憶體214加載 至專用暫存器215。使用匯流排218B(圖句來將安全參數自 快閃記憶體214傳送至專用暫存器215。cpu搬可讀取暫 存器215 ’但不能寫入至暫存器因此’儲存於專用暫 存器215中之安全參數不能在運行時間改變。藉由在啟動 循環（例如，一重設循環）期間以獨立於cpu 2〇2及韌體之 一方式自動地自預界定位置加載電池保護及校準參數，可 改良系統13 0之安全操作。 暫存器2!河跨越實㈣界安全功能之彡㈣同模組分 佈。V-ADC模組204中之暫存器215可儲存（舉例而請於 ^定-㈣掃描中所使用之通道、判定保護掃描之頻率及 指示電池單元電|比較器之臨限值位準之資訊。電流保護 模、，且208中之暫存益215可儲存（舉例而言）與電流保護控 制、、短路保護計時、過電流保護計時、短路偵測位準、放 電過電流㈣位準及充電過電流制位準相關之資訊。 FET控制器216中之暫存器215可儲存（舉例而幻與當接收 到指示以下事件中之一者之一 信號時將採取之一動作相關 之資況紐路保護事件、—放電過電流保護事件、一充 電過電流保護事件、一雷,.也s +广 電池皁兀過電壓保護事件、一電池 單元欠電壓保護事件、—内Α 内/JUL度過電麼保護事件、一内 160619.doc -13- 201251251 部溫度欠電壓保護事件 期間自動地將其儲存於 用暫存器215中。 。亦可上載其他安全參數且在啟動 系統130之此等或其他模組中之專 用於校準系統130之各種態樣之參數亦可在啟峨如 重设）期間以與上文針對安全相關參數所闡述相同之方式 自動地自非揮發性記憶體214加載至專用輸入/輸出暫存 二此等參數之實例包含用以校準電壓參考之參數及用以 準振盪器之參數。在某些實施方案中，校準值可(舉例 而言）在晶片製造期間或由—消費者儲存於非揮發性記憶 體川中。某些消費者可能偏好使用製造商工廒值以減小 工廠測試成本’而某些消費者可能偏好選擇用於校準之參 數以獲得更好準確性。某些實施方案允許消費者選擇係自 具有製造商儲存之值的一第一位置還是具有消費者自己之 值的-第二位置加載參數。可使用非揮發性記憶體來允許 消費者做出選擇。 .在某些實施方案中’―重設請求將裝置重設且只要該請 求係活動的則保持其處於一重設狀態。當釋放所有重設請 求時’在釋放内部重設且系統開始運行之前系統13〇經歷 :個階段。因A ’在某些實施方案中，在釋放内部重設之 前’重設並開始一計婁丈器延遲，㈤始振，計數器延遲 期滿，且安全及校準參數自非揮發性記憶體214加載，如 文所闡釋可在系統13 0之啟動（例如，重設）期間發生之 其他操作包含將I/O暫存器設定至其各別初始值。 用於模組間通信之事件系統 1606l9.doc •14· 201251251 儘管系統130内之諸多通信藉助CPU 202發生，伯会，， 1—糸統 130亦包含用於某些模組間通信之一事件系統。該事件系 統允許系統中之一個模組中之狀態之一改變獨立於 202自動地在系統中之一或多個其他模組中觸發一動作。 將一模組中之一改變之此一指示稱作一「事件」。使用一 專用路由網路219(圖3及圖4)在模組之間遞送事件。產生事 件之模組有時稱作事件產生器，且使用事件之模組有時稱 作事件使用者。由事件觸發之動作有時稱作事件動作。某 些事件使用者可自一或多個事件產生器接收事件且可導致 相同或不同事件動作。 如圖6中所展示，一個事件產生器係一時計24〇，時計 240係事件控制器222(參見圖3)之部分。時計24〇充當一集 中式計時器，其控制某些事件何時發生且由專用路由網路 直接輕合至s玄等模組中之某些模組，諸如模組 2〇4、C-ADC模組206及電流保護模組20^時計3〇8產生事 件（例如，脈衝信號），該等事件又觸發時鐘啟用信號。在 某些實施方案中，事件信號可直接用作時鐘信號。時計 308可產生一經分頻事件信號之集合。舉例而言，在所圖 解說明之實施方案中，時計24〇包含一預定標器，該預定 ‘益使用一事件信號（elk)且自初始信號產生2之冪個分 頻。因此’時計240產生一經分頻信號集合，該經分頻信 號集合中之每一者具有一各別頻率clk/2…Clk/2n，其中n 係整數。在一特定實施方案中，時計24〇產生具有一頻 ' 2之第一事件信號、具有一頻率elk/4之一第二事件 I606l9.doc •15- 201251251 信號、具有一頻率clk/8之一第三事件信號及具有一頻率 clk/16之一第四事件信號（圖7A)。在某些實施方案中，時 計240產生額外或其他同步事件信號。因此，在某些實施 方案中，自該第一事件信號分頻一第二事件信號，自該第 一事件k號分頻該第三事件信號，等等。以此方式，當一 慢事件信號具有一活動邊緣時，較快事件信號亦具有一活 動邊緣。在其他情形中，分頻因子可係任何整數數列（例 如，clk/2、c】k/3、c】k/4)。一般而言，時計24〇產生一經分 頻信號集合，該經分頻信號集合令之每一者具有一各別頻 使用夺。十240來針對連接至時計24〇之模組產生事件。每 模”且可個別地選擇所期望之時鐘分頻（例如，基於在啟 動期間自動加載至暫存器215之資訊）。舉例而言可將一 第一模組（例如，V_ADC模組2〇4)程式化為dk/32，可將一 第二模組（例如，C_ADC模組2〇6)程式化為clk/128，且可 將一 f三模組（例如，電流保護模組208)程式化為clk/32e 在此實例t ’第-模組2〇4及第三模組2〇8同時接收事件， 而第二模組206以1/4頻率接收事件。在所圖解說明之實例 中對所有模組之時計事件係同步的。當第二模組接收到 事件夺第模組及第三模組將同時接收事件。可使用時 計事件來（舉例而言）觸發量測且偵測安全問題。 、 2計24G充當某些事件序列之4始器。以規則間隔， 日· S十發出事件以在其他模組（例如，v_adc模㈣4、。 ADC模組寫及電隸護模㈣8)中起始動作。運行時間 1606I9.doc 16· 201251251 可組態保護事件之事件序列由時計24G起始且（舉例而言）在 C-ADCm2()6中觸發事件動作。在所圖解說明之實例 中，自動加載之保護事件之事件序列亦由計時24〇起始且 在V-ADC模組204及電流保護模組2〇8中觸發事件動作。可 經設定以在來自時計240之規則事件上觸發之動作之實例 包含以下各項：V-ADC模組保護掃描、C_ADC模組電流量 測、規則電流偵測、高充電/放電電流偵測、電流保護模 組量測、短路偵測及充電/放電過電流偵測。 V-ADC模組204、C-ADC模組206及電流保護模組208中 之每一者又可充當一事件產生器。舉例而言，由C_AD(：模 組206產生之事件可在FET控制器216中觸發一或多個事件 動作。出於此目的，C-ADC模組206藉助專用路由網路219 連接至FET控制器216 ’使得此等事件可獨立於cpu 202自 C-ADC模組206直接傳遞至FET控制器216。同樣，V-ADC 模組204及電流保護模組208可在FET控制器216中觸發一或 多個事件動作。出於此目的，V-ADC模組204及電流保護 模組208亦藉助專用路由網路219連接至FET控制器216，使 得此等事件可獨立於CPU 202自V-ADC模組204或電流保護 模組208直接傳遞至FET控制器216。 可經確立以基於來自前述模組之事件觸發之一動作之一 實例係停用FET 110、112。舉例而言，FET 110、112可基 於以下事件中之一或多者自動停用：V-ADC通道過電壓/ 欠電壓、V-ADC通道溫度過高/溫度過低、C-ADC高充電/ 放電電流、低電壓下之C-ADC放電電流偵測、電流保護模 160619.doc -17- 201251251 組充電/放電過電流及電流保護模組短路。 該事件系統促進在不需要涉及韌體之情形下（亦即，獨 立於CPU 202)自動化一電池管理及保護系統中之臨界任務 及非臨界任務兩者。因此，舉例而言，該事件系統可幫助 針對臨界任務提供一安全且可預測之處置及回應時間，且 可減小對勒體之資格限制之要求。同時，電池管理及保護 系統可藉由允許某些安全相關參數係使用者可組態的（如 上文所闡述）而提供靈活性。對於非臨界任務，該事件系 統可幫助減小CPU 2〇2需要處於活動模式之時間。因此’，' 該系統可幫助減小電力消耗。 亦可使用該事件系統來支援對於電轉護事件迴圈並非 係臨界之其他事件。舉例而言，纟自時計㈣之事件可用 以遞增一計時器/計數器242(圖3及圖乃。 該事件系統亦可用以獨立於cpu加以規則間隔觸發各 種系統校準之執行。使用該事件系統允許與其他事件同時 觸發校準。由於事件同步發生，由來自時計之事件信號觸 發之量測亦可同步執行’藉此減小啟时央模組之時間。 可減】〜電力消耗。舉例而言，由時計240產生之事 件可幫助確保在不需要CPU 202之動作之情形下以規則間 ^執仃振盈益250之校準。此允許與需要相同共用資源之 /舌動同時執行校準，因此使電力消耗最小化。因此， I糸統可經配置以基於時計事件中之一或多者起始系統之 運行時間校準。 舉例而D，间準確性振i器使用-相當高電量。為解決 160619.doc 201251251 此問題，在某些實施方案中，僅以規則時間間隔接通—參 考振盈器。該時間間隔可基於（舉例而言）在啟動期間自非 揮發性記憶體214自動加載至一專用暫存器215之一參數。 舉例而言，可藉由以某一規則時間間隔相對於一經量測溫 度校準振盪器來解決振盪器之溫度變化。在某些實施方案 中’系統130經、組態以藉由至少部分地基sv_adc模組 之最後溫度讀取計算參考振盪器與目標振盪器之間的—目 標循環比率來校準㈣器。使㈣計州來觸發溫度讀取 以及後續校準允許在精確判定之時間同步執行各種動作， 如圖7B之實例中所展示。 在某些實施方案中，在缺少時計24〇之情形下各種其 他模組將需要以其自己的個別預定標器來實施，此將增加 系統130之總成本。因&，在系統13〇中提供集中式時計 240可導致成本節省。此外，在不存在中央時計之情形 下’確保同步操作可係更複雜的。 量測子系統 如上文所扣示，各種模組提供電池量測功能。量測子系 統執行電池之自動控制之安全相關量測以及⑽控制之充 電狀態及健康狀態電池量測。 形成電池量測子系統之部分之模組包含v_ADc 2〇4模 組、C-ADC模組206、電流保護模組2〇8及電壓參考模組 248。如上文所闡釋，此等模組包含在系統13〇之啟動期間 獨立於CPU 202自動加載有安全參數之專用暫存器215。此 外，臨界安全相關量測由時計24〇所產生之事件觸發且經 I60619.doc •19· 201251251 由事件路由網路219傳遞（獨立於CPU 202)。因此，執行涉 及CPU 202之韌體控制之量測之相同模組亦執行獨立於 CPU 202之電池之安全相關量測。使用相同硬體模組來執 行兩種類型之電池量測可在某些情形下減小系統13〇之大 小及成本。 睡眠及電力管理 睡眠/電力管理控制模組246(圖3)允許電池管理系統13〇 進入一或多個睡眠（亦即，低電力）模式以減小電力消耗。 可自其中CPU 202正在執行應用程式碼之一活動模式進入 睡眠模式。該應用程式碼決定何時進入一睡眠模式及進入 何種睡眠模式。來自啟用模組及啟用重設源之中斷信號可 將CPU 202自一睡眠模式恢復至活動模式。 某些實施方案中可用之一種類型之睡眠模式稱作一空閒 模式，在該空閒模式中CPU 2〇2及非揮發性記憶體之操作 停止。在該空閒模式中，包含事件控制器222(上文所論述） 及中斷控制器262(參見圖3)之其他模組在其啟用時繼續 操作。來自啟用中斷信號之中斷請求喚醒系統丨3〇。為減 小空閒模式中之電力消耗，可積極地停用未在使用中之模 組。 某些實施方案亦可支援額外或替代性低電力或睡眠模 式，在該等模式中系統130中之模組中之某些模組睡眠。 舉例而言’某些實施方案包含一省電模式，在該省電模式 :，.▲各種模組（例如，V_ADC模組2〇4&c_adc模組2〇6)通 书不此操作’即使其已啟用。為將省電模式中之電力消耗 160619.doc 201251251 減小至一最小值，應積極地停 你田Λ 預㈣1τ用自啟用振盪器操作且未在 使用中之模組。此將停止 主这4模組之時鐘且因此可有助 於顯著減小之電力消耗。 連接至事件系統之模組支援「夢遊」。可出現（舉例而 否）其中系統13〇處於-睡眠模式但事件系統中之一特定模 組需要將-事件發送至另一模組之情形。若目標模組正在 睡:（亦即’處於-低電力模式），則該事件自動地觸發對 目標模組之—啟用請求以啟用目標模組，以處理該事件且 返回至睡眠。專用事件路由網路219可用以將該啟用請求 傳遞至目標模組。通常不以—既定睡眠模式操作之模組仍 可以睡眠模式操作（由夢遊特徵觸發）。 夢游特徵允許形成事件系統之部分之模組（例如，時計 2广、V_ADC 204、C-ADC 206及電流保護模組2〇8)甚至在 系統130處於一低電力（例如，睡眠）模式時繼續執行臨界安 全功能或其他功能。因此，如（舉例而言）圖8中所展示若 時计240在目標模組處於一低電力模組時嘗試將一事件發 送至V-ADC模組204、C-ADC 206或電流保護模組208(方塊 302)，則該事件自動地觸發對目標模組之一啟用請求（方塊 3 〇4)。回應於接收到該啟用請求，目標模組處理該事件且 接著返回至睡眠（方塊3〇6)。因此，甚至在系統丨3〇處於一 睡眠或其他低電力模式時啟用某些模組以執行規定任務， 使知在缺少夢遊特徵之情形下將不以其他方式允許該等特 定核組操作。此外，夢遊特徵獨立於CPU 202操作。因 此，可在不喚醒CPU 202之情形下執行規定任務。 160619.doc -21 · 201251251 可如何將夢遊特徵用於所圖解說明之實施方案中之一特 定實例係如下文。C_ADC模組206具有—可程式化取樣模 式，使得其可針對一經量測電池電流值執行一瞬時轉換。 時計240觸發事件，使得C_ADC 2〇6以一規則間隔對電池 電流值進行取樣。若C_ADC模組2〇6在取樣將發生時處於 睡眠模式，則夢遊特徵允許C-ADC模組206醒來且執行 該瞬時轉換。 同樣，右V-ADC模組204、C-ADC 206或電流保護模組 208在FET控制器216處於一低電力模式時嘗試將一事件 發送至該FET控制器，則該事件自動地觸發對該FET控制 器之一啟用請求，使得該FET控制器處理該事件且接著返 回至睡眠。 在某些貫施方案中，時計240連接至一計時器/計數器 242(圖3及圖5)，計時器/計數器242可用以（舉例而言）追蹤 時間。若系統130在一時計事件被觸發時處於一低電力模 式，則可使用夢遊特徵，使得計時器/計數器242增加計數 器值® 診斷功能 為提供增強之安全，電池管理及保護系統13〇之某些實 施方案包含可用以確保系統恰當地操作之診斷特徵。 如下文所闡釋，電池管理系統13〇之外部接針上之各種 類比信號及值可由CPU 202驗證。若任一診斷功能在其預 期範圍外部，則CPU 2〇2可致使FET控制器216停用吓丁 11 〇、Π 2 (參見圖2 )，以便維持電池安全。 160619.doc -22- 201251251 舉例而言’電壓參考模組244可具有一窗口比較器，該 窗口比較器連續地監視VREF接針（參見圖2)以偵測參考電 壓是否短路至接地或一電源（VDD)。若發生一短路狀況’ 則CPU 202可致使FET 110、112停用以便保護該系統。 CPU 202亦可結合V-ADC模組204執行各種診斷檢查， V-ADC模組204包含用於FET故障偵測、違規充電器偵測 及接針開路偵測之一專用電池通道（BATT)。CPU 202可藉 由使用電池通道上之信號來執行一或多個診斷檢查。舉例 而5，當FET 110、112完全啟用時，電池側與充電器/負 載側之間的電壓降應接近零。在啟用FeT 110、112之後， 可計算電池通道電壓與電池單元電壓之間的差以偵測是否 正確地接通FET。若所量測電壓不在預期範圍内，則cpu 202可停用FET。可類似地用直接量測FET電壓降之單獨差 動通道來偵測FET故障。 類似地，當一充電器連接至電池管理系統時（參見圖 1)，電池通道可用以在FET 110、112啟用之前檢查充電電 壓在一可接受範圍内。另外，在FET 11〇、112啟用時量測 電池通道可用以偵測電池接針未恰當地連接至一印刷電路 板。若結果與電池單元電壓極其不同，則cpu 2〇2可停用 FET » CPU 202亦可相對於v_ADC模組2〇4之ρνι及Nv接針（參 見圖2及圖5)執行診斷檢查。舉例而言，對於ρνι接針， CPU 202可啟用一内部下拉電阻器以偵測CPU 202是否具 有至電池單兀正端子之一良好連接。若在下拉電阻器啟用 160619.doc •23· 201251251 時結果顯著低於所預期，則CPU 202判定存在一不良連 接。對於NV接針，CPU 2〇2可啟用一内部上拉電阻器以積 測至電池單元負端子之一不良連接。在上拉電阻器啟用之 情形下，NV及pV接針處之電屢之間的差將在存在至電池 皁兀之一不良連接之情形下顯著減少、。另一方自，若存在 一良好連接，則將存在—小電壓差1任—結果在預期範 圍外部丄則咖2〇2可停用FET】1〇、112。在某些實施方 案中，若在執行此等診斷功能時開始一保護掃描，則將自 動地停用上拉及下拉電阻器，藉此德來自該保護掃描之 一恰當結果。 CPU 202亦可相對於C_ADC模組2〇6之耵及ΝΙ接針（參見 圖2及圖5)執行诊斷檢查，其兩者皆具有内部上拉源以伯 測至感測電阻器114之一不良連接。當針對PI或NI接針啟 用上拉電阻益且該接針具有一不良連接時，轉換結果將飽 和至-最大轉換值。在某些實施方案中，若在執行此等診 斷功月巨時開始-保護掃描，則將自動地停用上拉及下拉電 阻器，從而確保來自該保護掃描之一恰當結果。 上文論述存在於系統130之某些實施方案中之各種優 點。系統130之某些實施方案可包含除上文所論述之優點 以外或替代上文所論述之優點之其他優點。舉例而言，韋刀 體(亦即’ CPU 202)可控制—初始組態以適應特定應用要 求’且接著可使系統自治地執行。由於勃體僅處置初始組 態，因此用以驗證組態正確之努力相對低。一旦組態設 立’則硬體在不需要勒體介入之情形下自動地處置安全臨 I60619.doc -24、 201251251 界功能。韌體可視情況鎖定組態暫存 节仔盎以免進一步CPU寫 入存取，以確保韌體錯誤不會影響安全操作。 該系統可藉由消除可使該系統之安全 文王不可靠之韌體錯誤 之某些可能性而幫助簡化消費產品資 貝格限制。此極大地減 小使系統符合各種所需要安全認可所需要之努力。某此實 施方案中之系統之經改良準確性可減小—Li離子電池之未 偵測到之不安全操作狀況之可能性。 u此，可改良電池安 〇 系統之經改良準確性可允許電池. '且°又计者在不增加超過 電池單元之安全限制之風險之情形下用更多能量給電池組 充電。此增加之電池容量使得每單位電荷更多能量可供使 用者使用。該經改良準確性亦可仏Ψ _ j J、·.口出剩餘電池壽命之一更 好指示。此可幫助減小或消除盆中所 于八τ所報告電池容量突然極 其訊速地自存在-合理量之剩餘容量之—指示下降至存在 極其少剩餘容量且應停用系統之一指示之情形。 如上文所閣釋，系統13。之某些特徵可；助減小電力消 耗。減小之電力消耗可導致新電池組之增加之存架壽命以 及無意地將-電池單元放電至一不安全且具損壞性等級之 一減小之風險。 其他實施方案亦在申請專利範圍之範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1係包含一電池組之—應用之一圖。 圖2係一電池組操作電路之一示意圖。 圖3係圖解說明-電池管理及保護系統之各種模組之一 160619.doc •25- 201251251 方塊圖。 圖4圖解說明該系統之與電池保護相關之某些特徵。 圖5圖解說明一電池量測子系統之進一步細節。 圖6圖解說明該系統之與一事件系統相關之用於模組間 通信之某些特徵。 圖7A係由事件系統中之一時計產生之時鐘信號之一實 例。 圖7B係由時計產生以觸發振盪器校準之計時信號之一實 例。 圖8係圖解說明一夢遊特徵之一實例之一流程圖。 【主要元件符號說明】 100 電池組 102 裝置 104 充電器 106 媒介 108 媒介 110 離散電晶體 112 離散電晶體 114 感測電阻器 116 電路 120 電池單元 130 系統 140 外部電池組正端子 150 外部電池組負端子 160619.doc -26- 201251251 130 電池管理及保護系統 202 中央處理單元（CPU) 204 電壓類比至數位轉換器（V-ADC)模組 206 電流類比至數位轉換器（C-ADC)模組 207 窗口比較器 208 電流保護模組 210 隨機存取記憶體（RAM) 212 EEPROM 214 快閃記憶體 215 專用暫存器 216 場效電晶體控制器 218 匯流排 218A 輸入/輸出匯流排 218B 匯流排 218C 中斷匯流排 219 專用路由網路 220 重設控制器 222 事件控制器 240 時計 242 計時器/計數器 244 電壓參考模組 246 睡眠/電力模組 248 電壓參考模組 250 振盪器 160619.doc •27· 201251251 252 喚醒計時器 254 監控計時器 256 通用異步接收器/發射器（UART) 258 雙向兩線介面（TWI)匯流排 260 晶片上調試（OCD)模組 262 中斷控制器 264 振盪器/時鐘控制器 PV1 接針 NV 接針 PI 接針 NI 接針 VREF 接針 VREG 接針 OC 輸出 OD 輸出 VFET 輸入 BATT 電池通道 160619.doc -28-

Claims (1)

1. 201251251 七、甲請專利範園： 1. 一種電池管理及保護系統，其包括： 複數個模組，該複數個模組中之至少一者在一電池麵 合至該系統時判定該電池之—操作特性是否在一預 圍内； 一中央處理單元；及 一-時計’其用以產生一事件集合’該事件集合中之每 一者具有-各別頻率F/ni、F/n2 F/nm，其中％係整 其中該等模組中之每—特者接收該等事件中之 -、夕者〃中β亥等事件之產生及該等事件至該等模組 之傳輸獨立於該中央處理單元而發生，且其中該等事件 觸發s亥等模組對一或多個動作之執行。 2. 如請求们之系統’其中該事件集合包括彼此分頻之脈 衝信號。 3. 如請求们之系統，其中該事件集合包括分別以2之幕彼 此分頻之脈衝信號。 4. 如:求項3之系統，其中該等脈衝信號包含具有-頻率F 第-脈衝信號、具有一頻率?/2之_第二脈衝信號、 頻率F/4之-第二脈衝信號、具有—頻率㈣之一 ::衝信號及具有—頻率F/16之一第五脈衝信號。 • 〇:’項1之系統’其中該等事件係同步的。 6.如凊求項1之系統’其中該等模組中之至少一者經配置 二=電絲合至該，、統時監視該電池之電、電流或 、概度中之至少一者， 且其中該等事件中之至少一者觸發 I60619.doc 201251251 與該至少一個模組中之該監視相關之一動作。 7.如請求項6之系統，其中該等模組中之至少—者經配置 以使用該等事件中之—或？者來掃描電池操作特性之量 測且觸發對該等掃描之回應。 8·如胡求項1之系統’其進-步包含-專用路由網路，該 專用路由網路用以將該等事件中之各別事件自該時計遞 送至該等模組中之各別模組。 9.如請求項8之系統，其中該專用路由網路將該等事件中 之該等各別事件直接自該時計遞送至該等各別模組。 1〇.如請求項8之系統，其中該專用路由網路獨立於該中央 處理單元將料事件中之該等各別事件自該時計遞送至 3玄荨各別模組。 11.如明求項8之系統，其中自該時計接收一事件之該等模 =中之—或多者經配置以在一電池耦合至該系統時接收 指示該電池之電壓、電流或溫度中之至少一者之信號。 月长項8之系統，其中該專用路由網路經配置以將一 事件自該等模組中之__第—者遞送至另-模組，其中該 事1指示由該等模組中之該第-者偵測之-狀態改變。 求項1之系統，其中該系統係一 Li離子電池管理及保 護系統。 14.如凊求項!之系統，其中該系統具有一或多個低睡眠模 式’其中該等模組可操作以甚至在該模組處於—低電力 民模式之情形下自該時計接收事件並對該等事件做出 回應。 1606l9.doc 201251251 一種操作包括一中央處 之方法，該方法包括：^之一電池管理及保護系統 中之每於Μ央處理早元產生—事件集合，該事件集合 係整ΓΓ有-各別頻率一—，其㈣ =於射央處理單元將該等事件 至該系統中之—或多個模組； =該等事件觸發該等模組對各別動作之執行。 衝信號。 、中綱集合包括彼此分頻之脈 17·=ί項Μ之方法，其中該事件集合包括分別以2之幕 彼此分頻之脈衝信號。 如叫求項16之方法，其中該等脈衝信號包含具有一頻率 Γ:第—脈衝信號、具有一頻率f/2之-第二脈衡信 、有一頻率FM之-第三脈衝信號、具有-頻率F/8 之-第四脈衝信號及具有一頻率㈣之一第五脈衝信 號。 19. 如凊求項15之方法’其中該等事件係同步的。 20. 如4求項15之方法，其中該等模組甚至在該等模组處於 一低電力睡眠模式之情形τ接收料事件且執行該〜戈 多個動作。 21. —種電池管理及保護系統，其包括： 一模組’其用以在1池搞合至該系統時判定該電池 之一操作特性是否在一預定範圍内； 160619.doc 201251251 一中央處理單元； 一時計，其用以產生一經分頻脈 領酿#賴如5旒集合，該經分 頻脈衝k说集合中之每一者具 各別頻率F/rh、 F/n2…F/nm，其中〜係整數；及 一專用路由網路，其用以獨立 么忑干央處理單元將玆 等脈衝信號中之一或多者遞送至嗲 入 圪主D亥模組，其中由該模組 接收之該等脈衝信號觸發該模組對一或多個動作之執 行。 22.如請求項2 1之系統，其中該脈衝信號集合係由分別以2 之冪相對於彼此分頻之脈衝信號組成。 23·如請求項21之系統，其中該等脈衝信號係同步的。 160619.doc 4-