ISL9208规格书
Multi-Cell Li-ion Battery Pack OCP/Analog
Front End
ISL9208 是多串锂电池包过流保护器件和微控制器模拟前端.ISL9208支持5-7串电芯的电池包.ISL9208提供集成的过流保护电路,短路保护和内部3.3V稳压器,内置电芯平衡开关,电芯电压监测电平转换器,外部FET驱动电路控制充电放电.存储可选的过流或者短路门限的内部寄存器.外部微控制器通过I2C串行接口设置寄存器代表的门限值.内部寄存器也存放过流和短路保护延时.
ISL9208使用内部模拟多路器监测每个电芯电压以及内部和外部温度提供给带A/D转换功能的独立的微控制器.微控制器的软件执行除了过流和短路关断以外电池包的控制功能.
应用
• 电动工具
•电池后备系统
• 电动车
• 便携式测试设备
• 医疗系统
• 电动汽车
•军用电子
性能
• 软件可选的过流保护电压和可选的过流保护时间
-4个放电过流门限
-4个短路门限
-4个充电过流门限
-8个充电过流延时时间
-8个放电过流延时时间
-2个放电短路延时时间
•自动FET关断,电池和IC内部过热时电芯平衡禁止.
• 快速短路关断
• 过流检测可以使用感应电阻、FET Rds或感应FET.
•4个电池包软件控制标志.
• 允许3个不同的FET控制.
- 背靠背N沟道FETS充电和放电控制
- 单个N沟道放电FET
- 单个N沟道FET放电和独立的可选的(较小)背靠背N沟道FETS充电
•集成的带200μA开启电流和150mA关断电流充放电FET驱动电路
• 10%精确的3.3V 稳压器(最小25mA输出,带电流增益70的外部NPN晶体管).
• 在100μs 内稳定监测电芯电压输出.
• 内部电芯平衡FET对每个电芯控制200mA平衡电流I(平衡电芯数量受芯片封装最大功率耗散400mW的限制)
• 简单的I2C主机接口
• 可编程下降沿或者上升沿唤醒的休眠功能
• <10μA 的休眠模式
• 无铅(RoHS)
引脚定义
符号描述
VC7/VCC Cell7正极输入/Vcc电源 这个引脚监测电芯电压并在AO脚输出,同时提供IC工作电压.
VCELLN cell N 电压输入. T这个脚监测CELL N的电压并在AO脚输出. VCELLN 连接到CELLN的正极和CELLN+1的负极.
CBN 电芯平衡FETS控制脚 它的内部FET在充电的时候绕过电芯分流小部分电流,或者在放电时从电芯拉电流,这样可以执行电芯平衡操作.这个功能可以减少单个电芯的电压,平衡FETS由外部控制器开启或者关闭.
VSS 接地. 连接到电池串的负极.
DSREF 放电检测电流参考地. 这个输入口提供充电和放电电流检测电路的独立的参考地,在大电流负载时,这个输入提供独立的接地点,使接地的压降最小化以减少错误.如果不必要,可以连接到VSS.
,
DSENSE 放电电流检测脚.这个输入口通过检测一个电压检测放电电流.它可以检测一个感应电阻的电压,或者DFET两端的电压或者带电流检测脚的FET.这个电压的测量以DSREF作为参考地.
with reference to DSREF.
CSENSE 充电电流检测脚. 这个输入口通过检测一个电压检测充电电流,它可以检测感应电阻电压,或者CFET电压,或者带电流检测脚的FET,这个电压的测量以VSS为参考地.
DFETDFET控制.The ISL9208 通过这个脚控制放电FET.功率FET是N沟道的,仅仅只能被微控制器开启,FET也能被微控制器关闭,但是在过流和短路时ISL9208也会自动关闭FET.如果微控制器检测到任何一个电芯欠电压,也能通过写一个控制位控制这个输出口关断FET.
CFET CFET 控制. The ISL9208能通过这个脚控制CFET的门极,功率FET必须是N沟道装置,它只能被微控制器开启,FET也能被微控制器关闭,在过电流时ISL9208也能关闭FET,如果微控制器检测到过电压,也能通过写控制位关断FET控制输入.
VMON 放电负载检测. 在过流状态下,微控制器让一个内部电阻连接到VMON和VSS之间.当FET因为负载保持,VMON电压接近VCC电压.当负载解除时,VMON电压下降到过流和短路状态对应的门限以下.这时,LDFAIL标志位清零,操作恢复.
AO 模拟多路输出. 模拟输出脚,供外部微控制器检测电芯电压和温度感应电压.微控制器通过写一个控制寄存器选择特定电压.
TEMP3V 温度检测输出控制 这个脚输出给由一个固定电阻和一个热敏电阻组成的分压器供电.热敏电阻紧挨着电芯.TEMP3V在测量温度时通过一个内部PMOS开关连接到RGO,其他时候TEMP3V输出关闭,TEMP3V可以通过一个特定的控制位持续开启.
在微控制器唤醒控制中,DSC,DOC或者COC置1时TEMP3V被开启,这能被用来唤醒一个休眠的微控制器,用它自己的控制机制回应过流状态而不是ISL9208自动回应过流状态.
TEMPI 温度检测输入. 这个脚输入测量电芯温度的热敏电阻的电压,当输入电压下降到TEMP3V/13, 表示外部过热 .TEMPI的电压通过一个模拟多路器由AO口输出,因此电芯的温度能被微控制器检测到.
RGO 定电压输出. 这个脚连接到一个外部NPN三极管的发射极,和RGC脚一起工作提供3.3V稳压.这个脚的电压反馈给稳压器,提供电源给ISL9208内部电路以及微控制器和其它外部电路.
RGC 稳压输出控制. 这个脚连接到外部NPN的基极,联合RGO脚工作提供3.3V稳压.RGC输出提供控制信号给外部晶体管,在RGO脚提供3.3V稳压.
WKUP 唤醒脚.这个输入脚在电压超过开启门限时唤醒,条件由WKUP位设定
WKPOL = ”1”: 上升沿唤醒,WKUP位高电平并且WKUP电压大于门限.
WKPOL = ”0”: 下降沿唤醒,WKUP位高电平并且WKUP电压小于门限.
SDA 串行数据口 这是I2C接口双向数据线
SCL 串行时钟口 这是I2C串行通讯的时钟口
器件描述
设计理论
由微控制器指令,ISL9208执行电芯电压监测和电芯平衡操作,过流和短路被检测到时根据内置可选的延时时间自动切断功率FETS,在过热状态下切断平衡FETs.ISL9208的自动功能能由微控制器软件管理而关闭.
系统上电/下电
The ISL9208 在 VCELL1,VCELL2, VCELL3, 和VCC电压超过 POR 门限时上电,这时候,ISL9208唤醒,开启RGO输出.RGO提供3.3VDC+/-10%的稳压.它用RGC脚的控制电压驱动外部NPN三极管.三极管的放大系数至少70,VCE要超过30V(最好50V), NPN管的发射极受监测,由RGC的控制信号稳压到3.3V.RGO也供电给大部分内部电路,推荐在集电极接一个500欧姆的电阻,在稳压器开启的时候最小化初始电流冲击.一旦上电,器件保持在唤醒状态直到微控制器使之睡眠,或者VCELL1, VCELL2,VCELL3, VCC 电压下降到POR极限以下.
WKUP的操作
有两种设计唤醒ISL9208.一个是活动的低电平连接(WKPOL=0,缺省),器件在充电器连接到电池包时唤醒,当比较一个基于VCELL1的电压的参考电压的时候将把WKUP脚拉到低电平.一个是活动的高电平连接(WKPOL=1), WKUP被一个外部开关拉到高电平唤醒器件.
图3
保护功能
在缺省的推荐条件下,ISL9208自动响应放电过流,放电短路,充电过流,内部过温度和外部过温度.设计者可以选择工作条件允许微控制器指示响应.这些在下面讨论.
过流安全功能
The ISL9208 通过检测CSENSE和DSENSE的电压持续不断地监测放电电流.如果电压超过设定值,时间超过设定的延时,器件就进入过流和短路保护模式.在这些模式中,ISL9208自动关断功率FETs,以此防止电流流过P+P-端.过流保护电路的电压门限和延时时间是可选的,包括放电过流,充电过流和放电短路,都由05H配置寄存器设定.
在过流发生后,ISL9208自动关断CFET和DFET脚的电压,DFET输出驱动放电FET门极到低电平,迅速关闭FET.放电FET的门极通过一个电阻拉低后关断CFET.
通过关断FETs,ISL9208防止电池包因为电芯电流过大造成损坏.当ISL9208探测到放电过流条件时,功率FET都关断,DOC位置1.(当FET被关断时,DFET和CFET也被复位).放电时,过流自动响应可以由DENOCD设置为1禁止,外部微控制器能在任何时候开启FET从过流条件下恢复,但是它通常应该启动负载监视功能(通过设置LDMONEN为1,监视LDFAIL位判断过流状态是否已经解除.
I当ISL9208检测到放电短路时,功率FET被关闭,DSC被设置为1.设置DENSCD位到1可以禁止短路自动保护.外部微控制器能随时开启FETS从短路条件下恢复.但是应该开启负载监视功能(设置LDMONEN为1),监视LDFAIL位检查过流状态是否被解除.
当ISL9208检测到充电过流时,功率FET被关断,COC被设置为1.充电过流自动保护在设置DENOCC为1时禁止.微控制器能开启FET从过流条件下恢复.但应该等到电芯电压从过充状态恢复以及过流状态撤除以后.或者微控制器等电池包去掉充电器,然后重新接上.
一个可选的提供保护功能的方法是按设计者的要求关断自动安全响应.在这种方式里,ISL9208仍然监视过流条件,设置状态位,但在过流和短路时不活动,代替的是,电池包安全依靠微控制器发送指令到ISL9208关断FETs.为方便微控制器响应过电流事件,特别是微控制器处于低功耗时,COC,DOC和DSC置位使TEMP3V输出开启拉高(见图5).这个输出能被用作外部中断,快速唤醒微控制器处理过电流事件.
图4
负载监测
ISL9208的负载监测功能首先用来探测在放电时过流和短路后负载是否被移开.它能被用来防止在过载和短路状态保持时FETs被开启.负载监视功能也能被微控制器用在电芯欠电压FETS关闭的情况下.使用负载监视功能防止负载还在时开启FETS.减少电池包容量低时带负载引起振荡.它也能成为系统机械保护的一部分,防止负载自动开启,比如电池包开启必须先完成某些动作
负载监测功能能被微控制器开启或者关闭.正常状况下它被关闭以最小化电路消耗.正常工作时必须被微控制器激活.VMON通过电阻内部连接到VSS时电路工作.
在典型的操作中,当过流和短路发生时,DFET关断,断开电池到负载的回路.这时候,负载电阻小,负载监测初始化关断,VMON电压上升到接近电池包电压.一旦功率FETS关断,微控制器设置LDMONEN激活负载监测电路,开启一个内部FET,把一个下拉电阻增加到负载监测电路.,外部可调整电阻和内部监测电阻形成一个电压分压器.R1可选择阻值,使负载减小到足够轻时LDFAIL复位.
过热安全功能
外部温度监测
外部温度可以用一个由固定电阻和热敏电阻组成的分压器监测.这个分压器由ISL9208的TEMP3V输出供电.这个输出正常控制情况下仅仅短时段开启以最小化电流消耗.没有微控制器干涉情况下,缺省状态时ISL9208提供自动温度扫描.这个扫描电路反复开启,TEMP3V每640ms开启5ms,用这种方式,甚至能在微控制器睡眠状态下监测外部温度.
当TEM3V输出开启时,ISL9208等待1ms让温度的读取稳定,然后比较温度电压和内部分压器,内部分压器设置为TEMP3V/13.当热敏电阻电压小于参考门限时(延时),一个外部过热故障产生.为了设置外部过热限制,把RX的阻值设定为热敏电阻在过热门限时电阻值的12倍.
当微控制器设置AO3:AO0位选择外部温度电压时,TEMP3V输出开启.这引起TEMP1电压被送到AO并且在1ms后激活过热检测.只要AO3:AO0表示的是外部温度,TEMP3V输出保持开启.
为了手动扫描温度,可以关闭自动扫描,但是他们可以不相互干涉同时使用.设置ATMPOFF可以关闭自动扫描.
微控制器能够通过设置TEMP3ON配置位同时启动自动扫描和微控制器控制扫描.这将开启TEMP3V输出在所有时候保持温度控制电路的电压,持续监测过热状态.这可能消耗大量的电流,因此这个功能通常只用在特定的测试中.
保护
缺省状况下,当ISL9208探测到一个内部或者外部过热状态时,FETS关断,电芯平衡功能禁止,IOT和XOT位置位.r
在过热发生时关断FETS防止电芯在过热时充电和放电,在太多电芯平衡引起ISL9208太多功率损耗时关断电芯平衡功能防止损坏IC. 在自动过热状态下,电芯平衡停止,FETs保持关断直到温度下降到恢复门限以下.在这个切断期间,微控制器能通过AO监测内部温度,但是任何对CFET,DFET和电芯平衡位的操作将被忽略.
内部过热自动响应可以通过设置DISITSD禁止.外部过热自动响应可以通过设置DISXTSD位禁止.其他方面,微控制器监测内部和外部温度防止电池包和电子元件过热很重要.
模拟多路器选择
ISL9208能被外部用来监测单个电芯电压和温度.每个都能通过AO口监测.通过使用I2C接口设置AO3:AO0选择要求的电压.
电压监测
因为每个电芯电压都比稳压器电压高,因为高处的电芯超过了微控制器能接受的电压,在微控制器监测和外部A/D转换时电平转换和分压是必要的.为进入外部电路要求的电压范围,电平转换器把电芯电压除以2,并且以VSS为基准.因此,一个4.2V锂电芯在AO口变成2.1V.
温度监测
在TEMPI端口表示外部温度的电压通过多路器指向AO口,同时设置AO控制位.外部温度电压不象电芯电压除以2,它直接反映TEMPI脚的电压.和通过AO口检测内部温度的操作相似,除了没有和内部温度相关的电压外部校正.因为内部温度监测,表示温度的输出电压是线性的.参见关于在25度输出电压和温度斜率的工作特性信息(第7页).
电芯平衡
总览
一个典型的ISL9208锂电池包由5节到7节串联,一个或者更多个并联.这个组合给电动工具,电动车,电轮椅,便携式医疗设备和电池动力工业应用必要的电压和动力,而串/并组合是普遍的,因为在串联的电芯当中的误配减少了整体电池包的容量.在串联个数很大和负载电流增加时误配很严重.电芯平衡技术增加了容量和工作时间.
电芯平衡的定义
电芯平衡定义为一串电芯中对单个电芯的微分电流的应用.当然,正常而言,一串当中的电芯接受相同的电流,一个电池包需要额外的电子元件和电路达到电芯平衡.ISL9208需要的外部元件仅仅是平衡电阻.
电芯平衡操作
电芯平衡通过微控制器程式完成.这个程式比较电芯电压(电池包容量的一种表示),开启较高电芯的电压平衡FET.写这个程式的时候需要确定很多参数,一个电芯平衡程式的例子在ISL9208EVAL1Z评估套件中.
微控制器通过设置电芯平衡寄存器的对应位开启特定电芯的平衡,每一位都和一个电芯平衡相关,当被置位时,一个内部平衡FET开启,在特定的电芯两端短接一个外部电阻.从电芯汲取的最大电流是200mA.电流大小可以通过选择外部电阻的阻值来设置.图7显示了一个带200mA平衡电阻的例子.在较低的平衡电流下,可以一起开启多个平衡FET,不超过器件的功率耗散限制,或者产生更多的平衡电流会使外部电阻更热.
外部VMON/CFET保护机制
当充电/放电同一路径时,推荐在VMON和P-的线路上增加一个二极管模块.参看图8的D1.这个二极管在FETs关断,充电器连接到电池包时防止VMON脚电压反向. 充电和放电路径分开时可以不用这个二极管.因为P-(放电)总是正.如果电池包最小电压和充电器最大电压的压差不超过22V时也不需要这个二极管.当电池包被设计成单套充电/放电FETs时,ISL9208的CFET脚在过流和短路时应该受保护.短路和过流发生时,FET突然开启,从马达线圈回馈的电压能超过CFET脚的最大输入电压.因此,推荐在CFET和充电FET的门极之间串联一个二极管.参看图8的D3.这将降低CFET门极电压,最后,为保护充电FET,在电池包端口有较大的反向电压时,增加稳压管D4..当P-脚反向时会有大的反向电压.而CFET脚被钳位到VSS.D4的齐纳电压要小于FET的VGS规格.
用户标志
ISL9208 在寄存器有4个标志微控制器能用作普通目的标识.这些位指定为UFLG3,UFLG2,UFLG1和UFLG0.微控制器能通过写寄存器置位或者复位这些位.
用户标志位是用电池做后备电源的,因此内容在睡眠模式后仍然保持.但是,如果微控制器设置POR迫使电源复位,所有的用户标志也复位.另外,如果CELL1电压降到POR电压以下,用户标志位的内容可能丢失.
串行接口
接口协议
器件支持双向总线协议.协议定义在总线上发送数据的任何器件叫发送器,接受器件叫接收器.控制数据传输的叫主机,受控制的器件叫从机.主机总是发起数据传输,为发送和接收数据提供时钟.因此,ISL9208在所有应用中作为从机.当发送和接收数据时,最重要的协议首先发送,因此,第一个发送的地址为BIT 7.
时钟和数据
SDA线上的数据状态仅仅当SCL是低电平时才能改变.SDA在SCL高电平时保留作指示开始和停止条件.参看图9.
启动状态
在所有命令之前是启动状态,也就是SCL为高电平时SDA由高到低.器件为启动状态持续监视SDA和SCL线,直到状态发生才响应命令.参看图10.
停止状态
所有通讯必须由停止条件来终止,也就是当SCL为高电平时SDA由低电平到高电平.停止条件也被用来在读周期后使器件进入待机模式.停止条件只能在传输器件放弃总线后发出.参看图10.
应答
应答是一个软件协定,用来指示数据是否成功发送.发送器件,不管是主机还是从机,在发送8位数据以后释放总线.在第9个时钟周期,接收器把SDA线拉到低电平回复它接收到8位数据.参看图11.
器件在识别到一个启动条件后用ACK回复字节正确.如果选择写操作,器件在收到每8个字节会发一个ACK.器件响应所有收到的数据和地址字节,在内容不匹配器件内部的地址时排除跟随的字节.在读操作中,器件发送8位数据,释放SDA线,然后监视线上的ACK.如果收到一个ACK,而且主机没有产生停止条件,器件将继续传送数据.如果ACK没有收到将停止进一步发送数据.主机必须发送停止条件,使器件返回待机模式,进入可知状态.
写操作
作为写操作,器件要求一个从字节和一个地址字节,从字节定义主机要写的I2C总线的特定器件.地址定义器件特定的一个寄存器.在接收到每个字节以后,器件发一个ACK,等待主机的下一个8位数据.在响应后,紧接着数据发送,主机在产生一个停止条件后终止发送.参看图12.
当从机接收到数据后,在第8位时钟下降沿数据值传送到地址字节制定的寄存器,在接收到ACK后,器件自动增加地址.因此,在发送停止位之前,主机 不用重复发送从字节和地址字节就可以发送更多的数据.在写到0AH后,地址回到0.不要继续写到比08H更高的地址.因为这些地址处理保留的寄存器.写这些地址可能引起不期望的地址操作.
读操作
读操作以和写操作类似的方式开始,主机发送地址,然后主机发送一个ACK,一个重复的开始,带LSB=1的从字节.在器件响应了从字节以后,器件每个主机时钟发送一位数据.在从机发送8位数据给主机后,主机发送一个NACK给器件,指示数据发送完毕,然后主机发送停止位.参看图13.在发送第8位给主机后,器件自动增加内部地址指针.因此,主机如果不发送NACK和停止位,而是发送更多的时钟读下一个地址的内容,不用发送另一个从字节和地址字节.如果知道最后的读或者写的地址,主机能从当前地址读.在这个例子里,在数据返回时只发送从字节.
寄存器保护
放电设置,充电设置,功能设置寄存器在上电初始化时被写保护.为了写这些寄存器必须设置一个使能位.这些写使能为在写使能位(08H).
写FSETEN为1使能改变功能设置寄存器数据(地址7).
写CHSETEN为1使能改变功能设置寄存器(地址6)
写DISSETEN为1使能改变功能设置寄存器(地址5).
微控制器能复位这些位到0防止写错误改变电池包的操作.
操作状态机制
图14显示了(le)一(yí)个(gè)装(zhuāng)置(zhì)状(zhuàng)态(t)机制,定义ISL9208响应不同条件..
591711200898894.pdf
