TW201251268A - Battery management and protection - Google Patents

Description

201251268 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 且特定而言係關於一種電 本發明係關於一種電池系統， 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)、遊戲控制台)包含電池組。一種特定類型之電池組 包含輕合至-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-控制器（例如，一微控制器）及電 路且除其他以外提供電池單元管理及保護。 某些電池組包含一Li離子（鋰離子）電池單元其實質上 係封裝於一圓筒或其他外殼内之一揮發性化學反應。勢能 儲存於每―單元中，且若該電池單元曝露於其規格以外之 條件，則該單元可過熱、著火或爆炸。組態有此等不穩定 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7L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】 將在附圖及以下說明中闡明本發明之一或多個實施方案 之細節。 根據一項態樣，揭示—種電池管理及保護系統。在某些 實施方案中’該系統之各種特徵幫助減小對用於安全臨界 160618.doc 201251268 功能及其他功能之㈣之依賴。所闡述之特徵當中之某些 特徵係乂下各項.在該系統之啟動期間安全參數或其他參 數之自動加載；可獨立於—中央處理單元在該系統中觸發 動作之-集中式時計及—事件系统；相同模㈣於自動控 制之安全相關量測及_控制之量測兩者；及增強之診斷 特徵。本發明亦_—夢遊特徵，該夢遊特徵允許該系統 中之某些模組甚至在該模組或該系統處於_低電力休眠模 式中時繼續執行臨界安全功能或其他功能^前述特徵中之 某些或全部可不存在於某些實施方案中。 依據該說明及圖式並依據中請專利範圍，將明瞭本發明 之其他態樣、特徵及優點。 【實施方式】 在以下說明中，參考其中—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 理及保護系統。然而，㈣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主安 全及量測特徵且可用於（舉例而言）—Li離子或其他電池管 理及保護系統中。 如圖1所圖解說明，一電池組100可耦合至—裝置Μ〗哎 一充電器104。當電池組100耦合至充電器1〇4時，電池組 100之端子（例如，正及負端子以及一通信端子）藉由一媒介 106耦合至充電器104之對應端子（即，正及負端子以及通 信端子）以允許與電池組100相關聯之單元之充電。媒介 106可呈線、引線、插腳或其他電連接構件之形式。 160618.doc 201251268 類似地，當電池組100耦合至裝置102時，電池組1〇〇之 鸲子（即，正及負端子以及通信端子）藉由一媒介耦合至 裝置之對應料（即，正及貞料以及通信端子）以允許 裝置102之操作。媒介1〇8可呈線、引線、插腳或其他電連 接構件之形式。在某些實施方案中，電池組100亦在各別 通信埠處耦合至裝置102及充電器1〇4，該各別通信埠允許 資訊（例如，命令及控制）在裝置1〇2/充電器1〇4與電池組 1〇〇之間的傳送。可交換之t訊之—項實例包含電池電荷 位準（即，電容）。 如圖2中所示，電池組1〇〇包含一或多個電池單元12〇、 離散電晶體110、112、一感測電阻器114及一電池管理及 保護系統13〇。系統13G包含各種組件，如下文所論述，該 各種組件可整合於一單個封裝中(例士”整合至一單個積 體電路中）或單獨地封ρ離散電晶體m、⑴可與系統 】30分離包含於—單獨之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12〇自外部電池免 端子（即，外部電池組正端子14〇及負端子15〇)斷開之择 關。在所圖解說明之實施方幸中， 系〒展不兩個離散電晶體， 其可實施為（舉例而言）場效電晶體（FET)。衫可使用其令 電晶體技術，但FET在製程、效能（例如，導通電阻 本及大小方面呈現優點。在所示實 "不貫施方案中，提供兩個1 晶體且其表示單獨的充電電晶體 瓶υ及放電電晶體112。3 電電晶體110用以連成電池單元 U之文全充電。放電電^ 160618.doc 201251268 體H2用以達成電池單元12〇之安全放電。 如圖2中所圖解說明，充電電晶體110與放電電晶體112 争聯輕合。在某些實施方案中，使用兩個N通道 FET(NFET)電晶體且其在_串聯組態中沒極·；及極地麵合。 在其他實施方案中，可使用兩個p通道fet(pfet)電晶 體。在- PFET解決方案中，可需要額外二極體來向系統 130提供電力。 在所圖解說明之實施方案争，充電電晶體11〇與放電電 晶體112在一高側組態（即，串聯電晶體耦合至電池單元之 高側，此與一低側組態相反）中耦合。在所示高側組態 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） 麵合至外部電池組正料15〇。《電電晶體】1〇與放電電晶 體112之各別第二端子彼此耦合（形成一汲極-汲極接面）。 充電電晶體110及放電電晶體112之閘極分別在輸入〇c及 Ο D處耗合至系統13 〇。 FET電曰曰曰體11〇、112之間的接面在一輸入（vfe丁)處耦合 至系統130,該輸入向系統13〇提供操作電力。一晶片上低 壓差（LDO)電壓調節器調節鞭了端子處之電壓以為内部邏 輯、I/O線及類比電路提供一合適之供應電壓（例如，2.2 V)。此經調節電壓亦提供至外部插腳VREG。 電池單元120係一可再充電電池且可呈鋰離子（Li離子）或 鋰聚合物（U聚合物）之形式。其他電池技術類型亦係可能 的。在提供多個單元之情況下，電池單元串聯、並聯或以 I60618.doc 201251268 串聯與並聯之一組合形式耗合。在所圖解說明之實施方案 中，電池單元12〇之正端子轉合至系統13〇(例如，以允許 在輸入PVi處偵測電池電壓位準)且耦合至離散電晶體中之 -者(即’充電電晶體110)。電池單元12〇之負端子亦耦合 至系統130(例如，以允許在輸入㈣處偵測電池電壓位準） 且搞合至感測電阻器m之-個端子。感測電阻器ιΐ4耗合 至系統130(以允許在輸入？1處量測穿過感測電阻器H4之電 流流動）。感測電阻器之第二端子輕合至局部接地（智慧型 電池局部接地）、系統130(以允許在輸入NI處量測穿過感 測電阻器m之電流流動)及電池組100之外部電池組負端 子140。儘管展示-單個電池單元實施方案，但電池組_ 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。 某些電池技術若不恰當使用則可形成危險狀況。舉例而 言’若過度充電或放電過快，Li離子及以聚合物電池可過 熱、爆炸或自燃。若電池放電過深，則亦可出現危險狀 況。此外，若Li離子及Li聚合物電池放電過深，則其可丟 失其顯著量之充電容量。系統130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幫助確保流入 至電池單兀120中及自電池單元12〇出來之電流以及電池 之電壓及皿度在安全等級内。下文更詳細地論述系統 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 160618.doc 201251268 202可基於一 RISC架構實施為（舉例而言）一低功率、CMOS 8位元微控制器。CPU 202確保正確之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)儲存可藉由CPU 202執行之指令。所 圖解說明之電池管理系統130中之其他記憶體包含隨機存 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，先前所提及之調節VFET端子 電壓以向内部邏輯、I/O線及類比電路提供一合適之供應 電壓之晶片上LDO調節器可提供作為電壓調節器248之一 部分。亦在插腳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。此類模組包含一電壓類比至數位轉換器（V-ADC)模組 204、一電流類比至數位轉換器（C-ADC)模組206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）經最佳化以用於量測 電壓及溫度之一 1 6位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: 204可執行由韌體 控制（即，藉由CPU 202控制）之單個轉換或通道掃描。另 外，V-ADC模組204可執行自動電池保護掃描。在單個轉 換/通道掃描模式之一掃描之情形下，CPU 202選擇通道且 160618.doc 201251268 開始掃描。，獨立於物體（即，獨立於cpu 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 2〇4執行-通道掃描且比較（例如，電池單元電壓及/或溫度 之)所量測值與自動加載之觸發等級。 縱模組咖提供電池單元電壓及溫度之準確但可組2 保護等級。 C-ADC模組206經配置以量測流動穿過—外部感測電阻 器（例士圖2中之感測電阻器114)之電流。在所圖解說明 之實施方案中，C-ADC模組206提供瞬時輸出及累積之輸 出。瞬時電流值可用於電池管理中之㈣臨界任務，諸如 在欠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，待用或放電）、提供準確之過電流保護及執行 阻抗計算。C_ADC模組206可包含一窗型比較器2〇7以判定 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）在連接或斷開一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207可在瞬時電流在 一使用者可程式化數目個樣本之規定範圍外部時產生一中 斷^號或其他事件。在某些實施方案中，比較器207經組 態以在電流過高之情況下產生一「事件」且在電流低之情 況下產生一中斷信號。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)。 所圖解說明之系統1 3 〇包含一電壓參考模組244，該電壓 參考模組將一高度準確之參考電壓（例如，1.100 V)以及一 160618.doc -10· 201251268 内部溫度參考提供至V-ADC模組204。形成電池量測子系 統之一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插腳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對照數個可程式化位準比較該電 壓。藉由藉助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。如下文更詳細 地闡釋，在系統130之啟動期間自動地自此等快閃記憶體 位置加載暫存器。違規計數器達成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208經組態 以在電流在一規定範圍外部之情況下產生一「事件」。不 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130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、〇D)，該外部 裝置可藉由FET控制器216組態以控制電池單元12〇與一裝 置或充電器之間之電流流動。FET控制器206包含用於在輸 出OC及OD處產生電壓之電路及邏輯。在某些實施方案 中，〇C輸出係耦合至一充電FET(例如，充電電晶體11〇)之 閘極之一高壓輸出以完全或部分地啟用或停用該充電FET 以在一充電事件期間控制電流流動^ 〇D輸出係耦合至— 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 160618.doc -11 - 201251268 控制電流流動。 CPU 202及其他模組經由一或多個匯流排218(圖3)發送 及接收信號。一個此種匯流排係輸入/輸出匯流排218八（圖 4)。另一匯流排21 8B用於在系統丨3〇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 2〇2或另一模組傳遞中斷信號。另外，一專用路由網路2i9 允許獨立於CPU 202在某些模组之間發送「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中所示，系統13〇亦包含一休眠/電力模組…，下 文論述》存在於系.統130之所圖解說明之實财案中之其 他組件及模組包含«器25G、喚醒計時器⑸、監控計時 器254、通用異步接收器/發射器（uart)256、雙向雙線介 面匯流排258、晶片上除錯（〇CD)模組26〇、中斷控 制器262及振盈器/時脈控制器264。系統13〇之一實際實施 方案可包含其他組件、模έ且另工么 模·、且及子系統，其出於清晰之目的 已自圖3移除。某些實施方牵 _ 万案可不包含圖3之實例中所示之 所有組件、模組及子系統。 安全及校準參數之自動加载 為幫助改良系統13 〇之安 種安全及校準參數自動地自 組中之一或多者中之專用輸 全操作，在系統啟動期間，各 非揮發性記憶體上傳至該等模 入/輸出暫存器。 女坌麥數可藉由系統用 ^ η叱电池120之安全功能性 在特疋貫施方案中，使用去·, 使用者可程式化安全參數儲存於丨 160618.doc 201251268 閃記憶體214中之專用位置中。在系統13〇之啟動期間，此 控制器220(圖3)自動地自快閃記憶體㈣ 用存崙215。匯流排218Β(圖4)用於將 =記憶㈣4傳送至專用暫存器215。咖2。2可讀^ 厂2^15 不忐向其寫入。因此’儲存於專用暫存器215 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 202及勒體之一方式自 動地自預界定位置加載電池保護及校準參數，可改良系統 130之安全操作。 ” 暫存器215可跨越實施臨界安全功能之多個不同模組分 佈:V-ADC模組2〇4中之暫存器犯可儲存（舉例而幻用於 判定-保護掃描巾所使狀通道、判定保護掃&之頻率及 指示單元電麗比較器之臨限位準之資訊。電流保護模組 208中之暫存器215可儲存（舉例而言）與電流保護控制、短 路保護時序、過電流保護時序、短路偵測位準、放電過電 流偵測位準及充電過電流偵測位準相_之資訊。fet控制 器216中之暫存器215可儲存（舉例而言）與當接㈣指:以 下事件中之一者之一信號時將採取之一動作相關之資訊： 一短路保護事件、一放電過電流保護事件、一充電過電流 保護事件、-單元過電壓保ti事件、—單元欠壓保護事 件、一内部溫度過電壓保護事件、一内部溫度欠壓保護事 件。亦可上傳其他安全參數且在⑨動期間自自地將其儲存 於系統130之此等或其他模組中之專用暫存器215中。 用於校準系統丨3〇之各種態樣之參數亦可在啟動（例如， -33- 160618.doc 201251268 重叹）期間以與上文針對安全相關參數所闡述之相同之方 式自動地自非揮發性記憶體214加載至專用輸入/輸出暫存 器。此等參數之實例包含用於校準電壓參考之參數及用以 扠準振盪器之參數。在某些實施方案中校準值可(舉例 而言）在晶片製造期間或藉由一消費者儲存於非揮發性記 憶體214中。某些消費者可偏好使用製造商工廠值以降低 工廠測試成本’而某些消費者可偏好挑選用於校準之參數 以獲得更好之準確性。某些實施方案允許消費者挑選自具 有製造商儲存之值之_第—位置還是具有消費者自己之值 第位置加載參數。非揮發性記憶體可用以允許消費 者進行該選擇。 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—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PH iUb ’在某些實施方案中’在釋放内部重設之 前，重設並開始-計數器延遲，啟動振堡器，計數器延遲 ，月滿，且安全及校準參數之非揮發性記憶體214加載，如 上文所闡釋。可在系統13G之啟動（例如，重設）期間發生之 其他操作包含將1/0暫存器設定至其各別初始值。 用於模組間通信之事件系統 儘管系統130内之諸多通信藉由cpu 2〇2發生，但系統 130亦包含用於某些模組間通信之一事件系統。該事件系 統允迕系統中之一個模組中之—狀態改變獨立於 自動地在系統中之一或多個其他模組中觸發一動作。一模 160618.doc 14 201251268 組中之-改變之此-指示稱作—「事件」。使用—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，且制事件之模組有時稱作事件 使用者。藉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—❹個事件產生器接收事件且可導致相同 或不同之事件動作。 /如圖6中所示’―個事件產生器係-時計240,時計24〇 係事件控制器222(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藉由專用路由網路 219直接耗合至模組中之某些模組，諸如μ%模组州、 C-ADC模組寫及電流保護模組期。時計则產生事件（例 如脈衝#號），該事件又觸發時脈啟用信號。在某些實 施方案中，事件信號可直接用作時脈信號。時計308可產 生-經分割事件信號集合。舉例而言，在所圖解說明之實 施方案中’時計24G包含—默標器，該預定標器使用-事件信號（Clk)且自初始信號產生2的冪分割。因此，時計 240產生一經分割信號集合，該經分割信號集合中之每一 者具有-各別頻率clk/2…clk/2n，其係一整數。在一 特定實施方案中’時計24G產生具有-頻率clk/2之-第一 事件信號、具有—頻率dk/4之一第二事件信號、具有一頻 率clk/8之一第三？件信號及具有一頻率c議之一第四事 件信號（圖7A)。在某些實施方案中，時計24()產生額外或 其他同步事件信號。因心在某些實施方案中，自第一事 自第二事件信號分割第三事 件信號分割一第二事件信號， 160618.doc -15- 201251268 件信號’ $等。以此方式，當一慢事件信號具有—活動邊 緣時，較快事件信號亦具有一活動邊緣。在其他情況中， 分割因子可係任一系列之整數（例如，dk/2、、 cIk/4)。一般來說，時計24〇產生一經分割信號集合該經 分割k號集合中之每一者具有一各別頻率F/…、 F/nm，其中ni係整數。 時計240用以針對連接至時計24〇之模組產生事件。每一 杈組可個別地選擇所期望之時脈分割（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clk/32，可將一第 二模組（例如’ C_ADC模組2〇6)程式化為cik/i28，且可將 一第三模組(例如，電流保護模組208)程式化為cUc/32。在 此實例中，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 事件時帛&第二模組將同時接收事件。時計事件可用 以（舉例而言）觸發量測且偵測安全問題。 時計240充當某些事件序列之一起始器 以規則間隔， V-ADC模組 204、C- 時計發出事件以在其他模组（例如 ADC模組206及電流料模組)中起始動作。運行時間 可組態保護事件之事件序列係藉由時計Μ起始^舉例而 言）在C-ADC模組206中觸發喜株叙从 . 〜爭仵動作。在所圖解說明之實 例中’自動加載之保護事件之畜杜 爭干之爭件序列亦係藉由時計240 起始且在V-ADC模組204及雪、'*仅增1«· 叫及電机保濩模組2〇8中觸發事件動 160618.doc •16· 201251268 作。可經設定以在來自時計240之規則事件時觸發之動作 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2〇8中 之母一者又可充當一事件產生器。舉例而言，藉由C_adc 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藉由專用路由網路 2 19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亦藉由專用路由網路2 19連接至FET控制器 216，使得此等事件可獨立於CPlJ 202自v_ADC模組2〇4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而自動停用：v_adC通道過電壓/ 人这 V-ADC通道溫度過南/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、電流保護模組 充電/放電過電流及電流保護模組短路。 °玄事件系統促成在不需要勃體涉入之情況下（即，獨立 於CPU 202)使電池管理及保護系統中的臨界任務及非臨界 任務兩者自動化。因此，舉例而言，該事件系統可幫助針 160618.doc -17- 201251268 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J對款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（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 幫助減少CPU 202需要處於活動模式令之時間。因此，該 系統可幫助減少電力消耗。 該事件系統亦可用以支援對於電池保護事件環路並非係 臨界之其他事件。舉例而言，來自時計240之事件可用以 遞增一計時器/計數器242(圖3及圖5)。 該事件系統亦可用以獨立於咖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，藉由來自時計之事件作號 觸發之量測亦可同步執行’藉此減少啟用中央模組之時 間。此又可減少總電力消耗。舉例而言，藉由時計240產 生之事件可幫助確保在不需要cpu 2〇2之動作之情況下以 規則間隔執行振盈器25()之校準。此允許與需要相同^ 動同時執行校準，因此使電力消耗最小;二 因此’ d可經配置以基於時計事件中之 系統之運行時間校準。 者起始 相當高 之電量。為解 舉例而§，高準確性振盪器使用 决此問題’在某些實施方案巾，僅以規則時間間隔接雨— 參考振蓋器。該時„隔可係基於（舉例而 I— 自非揮發性記憶體214自動加載至—專二動Μ 數。舉例而言’可藉由以某一規則時間間隔== 160618.doc 201251268 測溫度杈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經組態以藉由部分地基於v_ADC模組2〇4 讀取之最後之溫度㈣而計算參考振堡器肖目標㈣器之 間的一目標循環比來校準振盪器。使用時計24〇來觸發溫 度項數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之實例中所示。 在某些實施方案中，在缺少時計24〇之情況下，各種其 他模組將需要實施其自己之個別預定標器，此將增加系統 130之總成本。因此，在系統13〇中提供集中式時計24〇可 導致成本節省。此外’在不存在中央時計之情況下，確保 同步操作可更複雜。 量測子系統 如上文所指示，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cpu控制之充 電狀態及健康狀態電池量測。

部分之模組包含V-ADC 204模 形成電池量測子系統之_ 組、C-ADC模組206 電流保護模組208及電壓參考模組 248。如上文所闡釋’此等模組包含在系統別之啟動期間 獨立於CPU 202自動加载有安全參數之專用暫存器215。此 外，臨界安全相關量測係藉由時計24〇所產生之事件觸發 且經由事件路由網路219傳遞（獨立於cpu 2〇2)。因此，執 行涉及CPU 202之勒體控制之量測之相同模組亦執行獨立 於CPU 202之電池之安+ 肋旦、 相關里測。使用相同硬體模組來 執行兩種_之電池量測可在某些情形下減小系統13〇之 160618.doc -19· 201251268 大小及成本。 休眠及電力管理 、休眠/電力管理控制模M 246(圖3)允許電池管理系統13〇 進入一或多個休眠（即，低電力）模式以減少電力消耗。可 自八中cro 202正在執行應用程式碼之一活動模式進入休 眠模式。該應用程式碼決^何時進人—休眠模式及進入何 種休眠模式。I自啟用之模組及啟用之重設源之中斷信號 可將CPU 202自一休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休眠模式稱作一閒置 模式，在該閒置模式中CPU 2〇2及非揮發性記憶體之操作 停止。在該閒置模式中，包含事件控制器222(上文所論述） 及一中斷控制器262(見圖3)之其他模組在其係啟用時繼續 操作。來自啟用之中斷信號之中斷請求喚醒系統13〇。為 減少閒置模式中之電力消耗，可主動地停用未使用之模 組。 某些實施方案亦可支援額外或替代低電力或休眠模式， 在該模式中系統13 0中之模組中之某些模組休眠。舉例而 έ ’某些實施方案包含一省電模式，在該省電模式中，各 種模組（例如，V-ADC模組204及C-ADC模組206)正常不能 操作’即使其係啟用的。為將省電模式中之電力消耗減少 至一最小值’應主動地停用自啟用之振盪器操作且未使用 之模組。此將停止至該等模組之時脈且因此可促進顯著減 少之電力消耗。 連接至事件系统之模組支援「夢遊」。可出現（舉例而 I60618.doc -20- 201251268 吕）其中系統13 0處於一休目民磁斗，士 &古 杯眠模式中但事件系統中之一特定 模組需要將一事件發送至另—握細夕技 另模組之情況。若目標模組正 在休眠(即’處於一低電力模式中)，則該事件自動地觸發 對目標模組之一啟用請求以啟用目標模組，以處理該事件 且返回至休眠。專用事件路由 Τ峪田，凋路219可用以將該啟用請 求傳遞至目標模組。正常不以一认— 韦不以一給疋休眠模式操作之模組 可仍以休眠模式操作（藉由夢遊特徵觸發）。 夢游特徵允許形成事件系統之之模組（例如，時 計240、V-ADC 2〇4、C_ADC 及電流保護模组雇）甚至 在系統130處於一低電力（例如，休眠）模式中時繼續執行臨 :安全功能或其他功能。因此’如(舉例而言)圖8中所示， 若時計240在目標模組處於一低電力模式中時嘗試將一事 件發送至V-ADC模組2〇4、C_ADC 或電流保護模組鹰 (方框302)，則該事件自動地觸發對目標模組之—啟用請求 (方框3〇4)°回應於接收到該啟用請求，目標模組處理該事 件且然後返回至休眠（方框3G6)。因此，甚至在系統㈣係 f於-休眠或其他低電力模式中時啟用某些模組以執行規 疋任務’使仔原本在缺少夢遊特徵之情況下該等特定模組 不被允許操作。此外，夢遊特徵獨立於CPU 202操作。因 此’可在不唤醒咖2〇2之情況下執行規定任務。 〜可如何將夢遊特徵用於所圖解說明之實施方案令之一特 實’j下文。C-ADC模組206具有一可程式化取樣模 式，使什其可針對一所量測電池電流值執行一瞬時轉換。 時計240觸發事件’使得「ADC 206以-規則間隔對電池 I606I8.doc -21 - 201251268 電流值進行取樣◊若C_ADC模組206在取樣將發生時處於 一休眠模式中’則夢遊特徵允許C_ADC模組206醒來且執 行該瞬時轉換。 同樣，若V-ADC棋組204、C-ADC 206或電流保護模組 208在FET控制器216處於一低電力模式中時嘗試將一事件 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然後返 回至休眠。 在某些實施方案中，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 式中，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係診斷特徵。 如下文所闡釋’電池管理系統13〇之外部插腳上之各種 模擬信號及值可藉由CPU 2〇2檢驗。若任何診斷功能在其 預期範圍外部，則CPU 202可致使FET控制器216停用fet Π 0、112(見圖2)，以便維持電池安全。 舉例而言，電壓參考模組244可具有一窗型比較器，該 窗型比較器連續地監視VREF插腳（見圖2)以偵測參考電壓 是否短路至接地或一電力供應器（VDD)。若一短路狀況發 生，則CPU 202可致使FET 110、112停用以便保護系統。 160618.doc •22· 201251268 CPU 202亦可結合ν-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、非法充電器偵測及插 腳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 言，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 »可類似地藉助直接量測FET電壓降之單獨差分 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（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 110、112啟用時量測電池 通道可用以偵測電池插腳未恰當地連接至一印刷電路板。 若結果與電池單元電壓非常不同，則CPU 202可停用 FET。 CPU 202亦可相對於ν-ADC模組204之PV1及NV插腳（見 圖2及圖5)執行診斷檢查。舉例而言，對於pvl插腳，cpu 202可啟用一内部下拉電阻器以偵測cpu 202是否具有至單 元正端子之一良好連接。若在下拉電阻器啟用時結果顯著 低於預期，則CPU 202判定存在一不良連接。對於]^乂插 腳，CPU 202可啟用一内部上拉電阻器以偵測至單元負端 子之一不良連接。在上拉電阻器啟用之情況下，NV及pv 插腳處之電壓之間的差將在存在至單元之一不良連接之情 160618.doc •23- 201251268 況下顯著減小。另一方面，若存在一良好連接，則將存在 J電塵差。若任一結果在預期範圍外部，則Cpu 202可 停用FET 110、112。在某些實施方案中，若在執行此等診 斷功月t之同時開始一保護掃描，則將自動地停用上拉及下 拉電阻器，藉此確保來自保護掃描之一恰當結果。 CPU 202亦相對於c_ADC模組2〇6之？1及m插腳（見圖2及 圖5)執行診斷檢查，其兩者具有内部上拉源以制至感測 電阻器114之不良連接當針對ρι或NI插腳啟用上拉電 阻器且該插腳具有-不良連接時’轉換結果將飽和至一最 大轉換值。在某些實施方案中，若在執行此等診斷功能之 同時開始—保護掃描’則將自動地停用上拉及下拉電阻 器，從而確保來自保護掃描之一恰當結果。 上文論述了存在於系統13〇之某些實施方案中之各種優 點。系統13〇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。舉例而言款 體（即’ CPU 202)可控制一初始組態以適應特定應用要 求，且然後可讓系統自主地執行。由於勒體僅處置初始組 態’因此驗證組態正確之努力相對低。一旦組態經設立， 則硬體在不需要動體介入之情況下自動地處置安全臨界功 能。勃體可視情況鎖定组態暫存器以免進一步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不可靠之勒體錯誤 之某些可能性而幫助簡化消費產品資格限制。此極大地減 少使系統符合各種所需安全批准所需要之努力。某此實施 160618.doc •24- 201251268 小一u離子電池之未偵 因此’可改良電池安 方案令之系統之經改良準確性可減 測到之不安全操作狀況之可能性。 〇 w之經以準確性可允許電池組設計者在不增加超過 池單70之安全限制之風險之情況下用更多之能量給電池 組充電。此增加之電池容量使得每單位電荷更多之能量可 j使用者使用。該經改良準確性亦可給出剩餘電池壽命之 一更好指#。此可幫助減少或消除其中所報告電池容量突 然非常快速地自存在_•合理量的剩餘容量之—指示下降到 存在非常少剩餘容#且應停用系統之—指示之情況。 如上文所闡釋’系統130之某些特徵可幫助減少電力消 耗。減少之電力消耗可導致新電池組之增加之储放壽命以 及疏忽地將-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。 其他貫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—應用之一圖示。 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 方塊圖。 圖4圖解說明系統之與電池保護相關之某些特徵。 圖5圖解說明—電池量測子系統之進一步細節。 圖6圖解說明與-事件系統相關之系統之用於模組間通 信之某些特徵。 160618.doc -25- 201251268 圖7A係藉由事件系統中之一時計產生之時脈信號之一實 例0 圖7B係藉由時計產生以觸發振盪器校準之時序信號之一 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/ FET電晶體 112 離散電晶體/ FET電晶體 114 感測電阻器 116 電路 120 電池單元 130 電池管理及保護系統 140 正端子 150 負端子 202 中央處理單元（CPU) 204 電壓類比至數位轉換器（V_ADC)模 206 電流類比至數位轉換器（C-ADC)模 207 窗型比較器 208 電流保護模組 160618.doc -26- 201251268 210 212 214 215 216 218 218A 218B 218C 219 220 222 240 242 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262

隨機存取記憶體（RAM) EEPROM 快閃記憶體 專用暫存器 模組/場效電晶體（FET)控制器 匯流排 輸入/輸出匯流排 匯流排 中斷匯流排 專用路由網路 重設控制器 事件控制器 時計 計時器/計數器 電壓參考模組 休眠/電力模組 電壓調節器 振盪器 喚醒計時器 監控計時器 通用異步接收器/發射器（UART) 雙向雙線介面（TWI)匯流排 晶片上除錯（OCD)模組 中斷控制器 160618.doc •27- 201251268 264 振盪器/時脈控制器 NI 輸入 NV 輸入 oc 輸入/輸出 OD 輸入/輸出 PI 輸入 PV1 輸入 VFET 輸入 VREF 插腳 VREG 外部插腳 160618.doc -28-

Claims (1)

1. 201251268 七、申請專利範圍： 1 · 一種電池管理及保護系統，其包括： 非揮發性記憶體’其用以儲存—或 化安全參數； 州者了私式 至少-個模組包含-或多個暫存器； 一基於軟體之中央處理單元；及 一控制器，其經配置以獨立於財央處 統之啟動期間將該一或多個 早70在該糸 ^ s上 女王參數自該非揮發性記憶 體加載至該等暫存器中之一或多者。 2.如請求項丨之系統，其經配置以 π m β 電池耦合至該系統 時使用藉由該一或多個暫存器儲存之該—或多個安全參 數來判定該電池之安全功能性。 胃求頁2之系統’其中該非揮發性記憶體進—步儲存 一或多個校準參數，且其中該控制諸配置以獨立於該 中央處理單元在該系統之啟動期間將該_或多個校準參 =自遠非揮發性記憶體加載至該等暫存器中之一或多 月求員1之系統，其中该非揮發性記憶體儲存校準參 數之第及第一集合’且其中該系統經配置以使得一使 :者可選擇校準參數之該m或該第二集合中之哪 一者在該系統之啟動期間由該控制器加載至該一或多個 暫存器。 5·如《月求項1之系、统，其中至少一個模組經配置以在—電 池叙合至該系統時接收指示該f池之電壓、電流或溫度 160618.doc 201251268 中之至少一者之信號，且使用藉由該一或多個暫存器儲 存文王參數來判定該等所接收信號是否滿足預定準 則。 6·如吻求項1之系統，其包含跨越該系統中之複數個不同 模組散佈之複數個該等暫存器，其令該等模組中之至少 某些模組經配置以在-電池麵合至該系統時接收指示該 電池之電屋、電流或溫度中之至少-者之信薄。 7·如凊求項1之系統，其中該系統係-Li離子電池管理及保 護系統。 8. 9. 一種操作—電池管理及保㈣統之方法，該方法包括： 在該系統之啟動期間將一使用者可程式化安纟參數自非 揮發性記憶體加載至一暫存器。 如請求項8之方法，其中該系統包含一中央處理單元， 且其中獨立㈣巾央處料元執行將該安全參數加載至 s亥暫存器。 10. 如请求項8之方法’其包含使用藉由該暫存器儲存之与 安全參數來判㈣合至該系統之—電池之安全功能性。° 11. 一種電池管理及保護系統，其包括： 其中該模組包含一或多 一模組’其經配置以在一 示該電池之操作特性之資訊 暫存器； 其用以儲存使 非揮發性記憶體 數； 用者可組態安全參 一控制器 其用 以在該系統之啟動期 間將該等參數自 160618.doc 201251268 該非揮發性記憶體加載至該等暫存器；及 一中央處理單元，其用以控制該模組之至少某些操 作； ' 押其中該模組㈣置以至少料地基於儲存於該等暫存 器中之該等參數來提供安全相關電池保護等級。 12, 13. 14. 15. 16. 17. .如请求項11之系統，其中該控制器獨立於該中央處理單 元在該系統之啟動期間將該等參數自該非揮發 加載至該等暫存器。 心體 如明求項12之系統，其中該模組經配置以執行對—或多 個電池特性之㈣’其中某些掃描或個別量測係在該中 央處理單元之控制下執行的且其他掃描係獨立於 處理單元執行的。 、 如請求初之系統，其巾對於獨立於該巾央處理單元執 行之掃描，該模組經配置以比較—電池特 與儲存於料暫存mi或多個參數。 如请求項13之系統’其中該模組經配置以執行對電池電 壓及溫度中之一者或兩者之掃描。 如凊求項13之系統，其中該模組經配置以執行對電池電 流之掃描。 一種電池管理及保護系統，其包括： 一模組，其用以判定一電池之一操作特性是否在 範圍内’其中s亥第一模組在該第一模組判定該電 池之該操作特性不在該預定範圍内之情況下產生一信 160618.doc 201251268 第一模組，其用以控制是否啟用耦合至該電池之開 關以允許該電池之充電及放電； 一或多個暫存器； 軍^丨生》己隐體，其用以儲存一使用者可程式化安全 參數； 控制器，其用以在該系統之啟動期間自動地將該安 全參數自該非揮發性記憶體加載至該等暫存器中之該一 或多者’其中該安全參數規定指示該第二模組在該第一 模組判疋該操作特性不在該預定範圍内之情況下應如何 作出回應之資訊；及 專用路由網路，其用以將該信號自該第一模組遞送 第模、，且，其中s亥第二模組經配置以回應於該信號 而控制該等開關。 18. 19. 20. 21. 22. 士喷求項丨7之系統，其中該專用路由網路經配置以將該 仏號直接自該第一模組遞送至該第二模組。 士 4求項17之系統’其包含—中央處理單元，其令該專 用路由網路經g己置以獨立於該中央處理單元將該信號自 該第一模組遞送至該第二模組。 如睛求項17之系統’其中該操作特性係電池電壓、電池 電流或電池溫度。 如凊求項2G之系統’其中該第—模組經配置以執行對電 池電壓及溫度中之一者或兩者之掃描。 如明求項20之系統’其中該第一模組經配置以執行對電 池電流之掃描。 160618.doc 201251268 23. 24. 25. 26. 27. 一種供在一電池管理及保護系統中使用之方法，該方法 包括： 在一第一模組中判定耦合至該系統之一電池之一操作 特性是否在一預定範圍内；及 在該第一模組判定該電池之該操作特性不在該預定範 圍内之情況下將一信號自該第一模組發送至一第二模 且其中5玄第一模組控制是否啟用编合至該電池之開關 以允許該電池之充電及放電； 其中該第二模組至少部分地基於儲存於一暫存器中之 一安全參數而對來自該第一模組之該信號作出回應。 如β求項23之方法，其包含經由一專用路由網路將該信 號自該第一模組遞送至該第二模組。 如明求項23之方法，其中該系統包含—中央處理單元， 該方法包含獨立於該中央計算單元將該信號自該第一模 組遞送至該第二模組。 、 如請求項23之方法，其包含在該系統之啟動期間自動地 將該安全參數自非揮發性記憶體加載至該暫存器。 一種具有一活動模式及一或多個低電力休眠模式之電池 官理及保護系統，該系統包括： 一杈組用以接收指# 一電池之一操作特性之信號 且判定該特性是否在一預定範圍内； 時5十’其用以產生事件；及 一專用路由網路，其用以將該等事件中之各別者自該 時計遞送至該模組， 160618.doc 201251268 其中該模組可操作以甚至在該系統處於一低電力休眠 模式中時自該時計接收該等事件並對該等事件做出反 應。 28. 如請求項27之系統，其包含一中央處理單元，其中該模 組可操作以獨立於該中央處理單元自該時計接收該等事 件並對該等事件做出反應。 29. 如叫求項27之系統，其包含一中央處理單元，其中該模 .，且可操作以甚至在该系統處於一低電力休眠模式中時獨 立於該中央處理單元自該時計接收該等事件並對該等事 件做出反應。 30. 如請求項27之系統，其中該模組可操作以甚至在該模組 處於一低電力休眠模式中時自該時計接收該等事件並對 該等事件做出反應，且其中該模組可操作以在執行由自 該時計接收之該等事件觸發之規定動作之後返回至該低 電力休眠模式。 31· —種用於一電池管理及保護系統之方法，該方法包括： 藉由一時計產生一事件；及 經由一專用路由網路將該事件自該時計遞送至—模 組，其中該模組處於一低電力休眠模式中；且 其中回應於自該時計接收該事件，該模組甚至在該模 組處於該低電力休眠模式中時對來自該時計之時脈信號 做出反應。 32.如請求項31之方法，其中該模組執行由來自該時計之哼 事件觸發之一規定動作且在執行該規定動作之後返回2 160618.doc 201251268 該低電力休眠模式。 33. 34. 35. 36. 37. 如請求項31之方法，甘+ '、中該系統包含一中央處理單元， 且其中該方法包合兮 3 "亥模組獨立於該中央處理單執由 來自該時舛夕兮吉μ 4 ^ 。十之4事件觸發之該規定動作。 一種用於連接至—雷μ 卜 ^電池之電池管理及保護系統，該系統 包括： 模’’且，其用以控制耦合至該電池之電路是否允許進 入至°亥電池中及自該電池中出來之電流流動；及 一中央處理單元，其可操作以判定一電池組電壓是否 滿足規定準則’且在該中央處理單元判定該電池組電壓 不滿足該等規定準則之情況下致使該模組控制該電路以 不允許一電池組端子與該電池之一單元之間的電流流 動。 如請求項34之系統，其中該中央處理單元可操作以使用 该等規定準則來偵測一非法充電器之存在。 如清求項34之系統’其中該中央處理單元可操作以使用 該等規定準則來偵測一開路電池插腳。 一種用於連接至一電池之電池管理及保護系統，該系統 包括： 一模組，其用以控制耦合至該電池之電路是否允許進 入至該電池中及自該電池中出來之電流流動；及 一中央處理單元，其可操作以判定該電池之一操作特 性是否滿足規定準則，且在該中央處理單元判定該操作 特性不滿足該等規定準則之情況下致使該模組控制該電 160618.doc 201251268 路以不允許一電池組端子與該電池之一單元之間的電流 流動’其中該等規定準則對應於一電池單元電壓與一電 池組電壓之間的一預期差。 3 8. —種電池管理及保護系統，其包括： 一中央處理單元；及 一時計，其用以獨立於該中央處理單元產生不同時脈 事件， 其中該系統經配置以基於該等事件中之一或多者起始 該系統之運行時間校準。 。 39. 如凊求項38之系統，其經配置以獨立於該中央處理 使用該等搴相^ 起始該系統之運行時間校 6十及電池電壓或溫度之改變。 40. 如請求項38之系 盆 由網路用㈣* ^ #用路由網路，該專用路 遞送至該系統中之其他模組。 #事件自该時計 41. 如請求項38之系統，其包含： 非揮發性記憶體，其用 可程式化參數； *供在料準中使用之一 模"且，其包含一或多個暫存器； 控制器，其經配置以在該 自該非揮發性記憶體加載到該等暫存;^=數 160618.doc