Detalles del USB6009
Características y descripción de pines
● Características
Admite de 2 a 4 baterías de litio y de 6 a 12 baterías de níquel.
Basado en el núcleo MCU PIC18F, chip de medición de energía de batería de iones de litio/polímero de litio/níquel programable en campo.
Cumple con SMBus 1.1 y SBdata 1.1.
Conversión A/D Δ-Σ de 16 bits de precisión, la precisión de la medición de corriente es inferior a 1 mA.
Voltaje de entrada máximo de 18 V, el terminal de medición de voltaje se puede conectar directamente a la celda de la batería.
Las E/S programables se utilizan para la activación de LED, protección de carga y descarga y protección de seguridad secundaria.
Los usuarios pueden configurar diferentes modelos de batería para diferentes celdas de batería.
El error de medición de la capacidad de la batería es inferior al 1%.
Método avanzado de valoración del fin de alta (EOD).
Memoria flash de 16KB y EEPROM de 256Bytes.
Oscilador interno de alta precisión.
Consumo de energía extremadamente bajo, 200 μA en funcionamiento, 100 μA en modo de muestreo y solo 0,5 μA en modo de suspensión.
Capacidades de protección ESD mejoradas.
12 puertos de E/S programables de uso general, 2 de los cuales son salidas de drenaje abierto de alto voltaje (hasta 18 V).
Los sensores de temperatura integrados y externos pueden realizar funciones de detección de temperatura en dos posiciones.
Circuito de equilibrio de batería incorporado con una corriente de equilibrio máxima de 8,4 mA y función de control de equilibrio de batería externa.
● Descripción del pin
PS501 adopta el paquete sin plomo TSSOP28, que cumple con RoSH de la UE y los requisitos de protección ambiental de varios países. Su disposición de pin se muestra en la Figura 1. El paquete TSSOP ultrapequeño (7,85 mm × 10,2 mm) puede ahorrar espacio en la PCB y puede instalarse fácilmente en paquetes de baterías de diferentes tamaños, como se muestra en la Figura 2.
Figura 1 Diagrama de pines de PS501
Figura 2 Paquete de batería inteligente basado en PS501
Introducción a las funciones de pines de PS501
Estructura interna de PS501 y principio de funcionamiento
● Estructura interna de PS501
La estructura interna de PS501 se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Diagrama de estructura interna de PS501
● Núcleo/memoria del procesador
PS501 utiliza el núcleo del microcontrolador RISC de 8 bits PIC18 y sus recursos de memoria incluyen flash de 16 KB Memoria y EEPROM de 256 bytes, utilizada para almacenar programas/datos y parámetros respectivamente. Ambas memorias se pueden reprogramar a través de la interfaz SMBus sin necesidad de una interfaz de programación especial. Cada PS501 tiene el programa del cargador de arranque programado antes de salir de fábrica. Para diferentes tipos de equipos eléctricos, celdas de batería con diferentes características e información de configuración, como diferentes capacidades, los usuarios pueden usar la configuración del software Powertool500 para generar firmware diferente en la producción del paquete de baterías. Descargue el firmware para que el fabricante del paquete de baterías pueda cambiar fácil y rápidamente el firmware para celdas de batería con diferentes características y diferentes equipos informáticos host sin cambiar el circuito de hardware.
● Convertidor A/D
PS501 utiliza un convertidor A/D de alta precisión para realizar mediciones precisas de corriente, voltaje y temperatura. El A/D está calibrado para eliminar errores de ganancia y errores de compensación. Durante el proceso de producción de la PCBA de gestión del paquete de baterías basada en el chip PS501, además de descargar el firmware en el sitio, se deben calibrar el circuito de conversión A/D y el oscilador del reloj de silicio. El contenido de la calibración incluye: muestreo de voltaje del paquete de baterías. voltaje de la celda de la batería de cada muestreo de cadena, muestreo de temperatura externa e interna, muestreo de corriente y osciladores de reloj de silicio. Por lo tanto, ya sea la precisión de los componentes, los errores acumulativos causados por el diseño de PCB, etc., se pueden corregir en la mayor medida mediante la calibración, asegurando así que el muestreo de cantidades físicas de cada PCBA sea preciso y que el tiempo total dedicado a este proceso sea Sólo 15 segundos y es completamente El proceso está completamente automatizado y no requiere intervención manual.
● Firmware/modelo de batería PowerSmart
El firmware de administración de batería desarrollado con PowerSmart se solidifica en la memoria Flash.
El firmware utiliza algoritmos patentados y un sofisticado modelo de batería tridimensional que contiene más de 250 parámetros y compensa la autodescarga, la temperatura y otros factores. Además, PS501 realiza una serie de operaciones de corrección de capacidad y reducción de errores durante el ciclo de carga/descarga para aumentar la precisión, mejorar el indicador de combustible y el rendimiento del control de carga. Estas capacidades garantizan informes precisos sobre la capacidad de la batería y predicciones en tiempo real con menos del 1% de error. La naturaleza reprogramable de la memoria flash permite implementar rápidamente actualizaciones de firmware y versiones de usuario sin cambiar el diseño del silicio. El PS501 se puede personalizar fácilmente según la química de la batería de una aplicación específica.
PowerSmart proporciona una variedad de archivos de configuración estándar que se pueden usar para configurar una variedad de baterías recargables y aplicaciones de paquetes de baterías populares. La Figura 4 y la Tabla 1 son un ejemplo del modelo 3D del voltaje final de descarga a diferentes temperaturas y diferentes velocidades de descarga y los parámetros de la tabla interna de PS501.
Figura 4 Modelo 3D de voltaje de fin de descarga a diferentes temperaturas y diferentes velocidades de descarga
Tabla 1 Tabla de búsqueda de voltaje de fin de descarga de una batería de litio
● Interfaz SMBus/comando SBdata
PS501 incluye un motor de comunicación SMBus que cumple con el protocolo SMBus v1.1. Toda la comunicación actual entre computadoras portátiles y baterías de computadoras portátiles sigue este protocolo de comunicación. SMBUS es un subconjunto del protocolo de comunicación I2C. Usando un procesador con una interfaz de comunicación I2C o usando software para simular la interfaz de comunicación I2C, puede leer fácilmente los datos SBdata del PS501 y aplicarlos a diferentes productos electrónicos.
● Base de tiempo integrada precisa
PS501 viene con un oscilador de silicio de alta precisión, que permite una sincronización precisa del tiempo de autodescarga y cálculos de capacidad sin la necesidad de un oscilador de reloj externo. El usuario puede calibrar este oscilador de silicio interno durante la producción del paquete de baterías.
● Detección de temperatura
Cuando el PS501 está cerca de la batería que se está monitoreando, se puede usar un sensor de temperatura integrado en el chip para reducir la cantidad de componentes. El usuario también puede elegir. para usar los pines proporcionados por el dispositivo. Se conecta un termistor externo para monitorear la temperatura. Al mismo tiempo, PS501 puede admitir dos sensores internos y externos para tomar muestras por separado, monitorear la temperatura en dos lugares diferentes y puede brindar protección de temperatura en diferentes condiciones a través de GPIO.
● E/S de uso general
PS501 proporciona 12 pines de entrada/salida digitales programables. Ocho de los pines se pueden utilizar como salidas LED para mostrar el estado de carga (SOC), o para controlar directamente circuitos de carga externos, o para proporcionar protección de seguridad adicional para paquetes de baterías de iones de litio. Por supuesto, también se pueden utilizar como pines de entrada/salida de uso general. De estos pines, dos E/S son pines de salida de drenaje abierto y, por lo tanto, pueden usarse para controlar directamente FET u otras aplicaciones de alto voltaje.
Cuando la corriente de equilibrio máxima de 8,4 mA proporcionada internamente por PS501 no es suficiente para satisfacer las necesidades de la función de equilibrio de los paquetes de baterías de gran capacidad, PS501 puede controlar el circuito de equilibrio externo a través de E/S de uso general para lograr Equilibrio de tamaño definido por el usuario. Además, la E/S de uso general también se puede utilizar para activar el timbre para avisos sonoros de batería baja cuando la capacidad de la batería es baja.
Modo de trabajo
PS501 tiene 4 modos de trabajo: modo de funcionamiento, modo de muestreo, modo de suspensión de bajo voltaje y modo de suspensión inactivo. Cada modo tiene condiciones específicas de entrada y salida, y el consumo de energía de los cuatro modos varía.
● Modo de funcionamiento: PS501 funciona en este modo cuando la batería se está cargando o descargando.
El modo de funcionamiento es el modo de trabajo con mayor consumo de energía. En el modo de ejecución, todas las mediciones y cálculos se realizan una vez dentro de un ciclo de medición. En cada ciclo de medición, se miden secuencialmente la corriente, el voltaje y la temperatura. Por ejemplo: cuando la computadora portátil está funcionando o cargándose, la corriente de funcionamiento del PS501 es 200μA.
● Modo de muestreo: PS501 realiza el modo de muestreo cuando la batería no se está cargando ni usando energía.
En el modo de muestreo, operaciones como el cálculo del estado de carga y las solicitudes SMBus se seguirán realizando con la frecuencia del modo de funcionamiento normal. La diferencia es que las mediciones solo se realizan cada varios ciclos de muestreo. El consumo total de energía del dispositivo se reduce significativamente. Por ejemplo: cuando la computadora portátil está apagada, la corriente de funcionamiento del PS501 es de 100 μA.
● Modo de suspensión de bajo voltaje: cuando el valor de medición del voltaje de la batería es inferior al valor preestablecido por el usuario, el dispositivo ingresa al modo de suspensión.
La PS501 en modo de suspensión ya no realiza mediciones ni cálculos. La pantalla del indicador de combustible no funciona, se ignora la comunicación en el SMBus y el dispositivo sale del modo de suspensión solo cuando se cumplen las condiciones de activación. El modo de suspensión es uno de los modos con menor consumo de energía y se utiliza para conservar la energía de la batería después de que ésta esté completamente descargada. En este momento, la corriente de funcionamiento del PS501 puede ser tan baja como 1 μA.
● Modo de suspensión inactivo: para paquetes de baterías que requieren almacenamiento a largo plazo, se puede utilizar el modo de suspensión inactivo.
En este modo, PS501 entrará en modo de suspensión de bajo consumo de energía independientemente del valor de voltaje. El dispositivo se puede poner en este modo mediante un comando SMBus. En este momento, el consumo de energía típico de PS501 puede ser tan bajo como 1μA. Salga de este modo cuando el bus SMBUS tenga un nivel pull-up. Este modo se utiliza para ahorrar energía durante el almacenamiento y transporte a largo plazo de paquetes de baterías. Por ejemplo: PS501 se puede configurar para que funcione en este modo desde el momento en que se produce la batería de la computadora portátil hasta la primera vez que el usuario la usa.
Equilibrio de la batería
● La necesidad de la función de equilibrio de la batería
Cuando las celdas de la batería de un paquete de baterías conectado en serie tienen una capacidad diferente a la de otras baterías conectadas en serie Cuando los chips son diferentes, se reflejará en la diferencia de voltaje entre las celdas de la batería conectadas en serie cuando el paquete de baterías esté completamente cargado o descargado. En este caso, durante el proceso de carga del paquete de baterías, las celdas de batería con voltaje demasiado alto activan la protección contra sobrecarga del paquete de baterías antes de tiempo, y durante el proceso de descarga, las celdas de batería con voltaje demasiado bajo activan la protección contra sobrecarga del paquete de baterías. el paquete de batería, lo que reduce el rendimiento del paquete de batería. La capacidad general se reduce significativamente y la capacidad reflejada por todo el paquete de batería es la capacidad de la celda de batería de peor rendimiento del paquete de batería.
● Función de equilibrio interno de PS501
PS501 tiene una carga de equilibrio de batería en un chip, que se utiliza para extraer el exceso de corriente de las baterías con voltajes más altos, consumir el exceso de energía y lograr el rendimiento de la batería. equilibrio. Dependiendo del voltaje de la batería, varias resistencias internas de 500 Ω consumirán hasta 8,4 mA por celda. El algoritmo de equilibrio de celdas controlará el voltaje de las celdas individuales, así como la diferencia de voltaje entre ellas. Para paquetes de baterías con menor capacidad y mejor rendimiento y consistencia de las celdas de la batería, puede optar por utilizar la función de equilibrio interno.
● Función de control de equilibrio externo de PS501
Cuando la capacidad de la batería es grande y el rendimiento y la consistencia de las celdas de la batería son deficientes, el circuito de equilibrio en el chip PS501 no puede Realiza eficazmente la función de equilibrio de la batería. En este caso, las E/S programables de PS501 se pueden utilizar para realizar la función de equilibrio de la batería de alta corriente a través de componentes simples fuera del chip. La batería de la aplicación de referencia se muestra en la Figura 5. De esta manera, se pueden lograr fácilmente diferentes corrientes de equilibrio cambiando la resistencia de la resistencia en derivación, que generalmente se establece en más de 100 mA en algunas aplicaciones. Esta función es particularmente adecuada para aplicaciones como vehículos eléctricos, herramientas eléctricas y paquetes de baterías externas que utilizan celdas de batería de gran capacidad producidas en el país.
Figura 5 Circuito de equilibrio de batería externa de PS501
Circuito de aplicación típico de PS501
El circuito de aplicación típico de PS501 se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Circuito de aplicación típico de PS501
● Función de medición de combustible: PS501 toma muestras directamente del voltaje de cuatro cadenas de baterías de litio y la corriente se toma a través de dos extremos de la resistencia de muestreo en el circuito principal. Se conoce la caída de tensión en el terminal. La temperatura utiliza un sensor en chip.
● Función de protección primaria: las baterías de iones de litio pueden dañar la batería y el equipo eléctrico por sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, sobretemperatura, etc., y existe riesgo de explosión o incendio de la batería. Esta solución utiliza un chip de protección de batería dedicado, como el S-8254 de SEIKO o el MM1414 y PS501 de MITSUMI, para controlar simultáneamente el MOSFET de protección de carga y descarga para lograr funciones de protección primaria dual.
● Función de protección secundaria: Si la protección primaria no está adecuadamente protegida y la batería está en peligro, PS501 puede controlar el fusible térmico y quemarlo para evitar el riesgo de explosión o incendio de la batería.
● Comunicación: el host se comunica con PS501 a través de SMBUS para leer diversa información de la batería.
● Equilibrio de batería: utilice la función de equilibrio de batería en el chip.
Los datos medidos de PS501
La Figura 7 son los datos medidos del paquete de batería inteligente basado en PS501.
Figura 7 Datos medidos de PS501
Formato del paquete de batería: 3 series 2 paralelo (3S2P) capacidad 4000 mAH
Configuraciones de carga: corriente constante 3000 mA, voltaje constante es 12600 mV, y la condición de parada de carga es que la corriente sea inferior a 100 mA.
Configuraciones de descarga: la corriente constante es de 4500 mA, la condición de estacionamiento es cuando el voltaje del paquete es inferior a 9000 mV.
Resultados de la prueba:
PS501 calcula con precisión la capacidad de la batería para garantizar el tiempo de funcionamiento.
La capacidad obtenida se puede registrar en tiempo real durante el proceso de carga, y la capacidad calculada de la batería cuando la batería está completamente cargada es consistente con la capacidad real de la batería de 4000 mAH.
Durante el proceso de descarga, la energía descargada se registra con precisión y, cuando la batería se descarga, la capacidad calculada es 0 para garantizar que el equipo eléctrico se pueda guardar y apagar a tiempo. y obtener la capacidad máxima de la batería utilizada.
Conclusión
El sistema de batería inteligente basado en PS501 puede calcular con precisión la capacidad restante del paquete de batería e informar el estado de la batería, garantizando así la confiabilidad del funcionamiento del sistema eléctrico. equipo y maximizar el tiempo de uso de la batería. El GPIO de PS501 puede realizar funciones flexibles de protección de la batería para garantizar la seguridad del uso de la batería. Al mismo tiempo, el circuito de equilibrio de la batería incorporado y la función de control de equilibrio de la batería externa garantizan el equilibrio de voltaje del paquete de batería, ampliando en gran medida el uso de la batería. El tiempo y la vida útil de esta función son especialmente prácticos para las pilas de baterías domésticas.