含电池管理和保护的单芯片微控制器

摘要

公开了一种单芯片微控制器。所述单芯片微控制器包括处理器系统和与该处理器系统相连的高电压接口，该高电压接口适合与电池连接。所述单芯片微控制器还包括用于监视所述电池并基于电池监视管理电池的电池管理系统。所述微控制器是单芯片。除了扩展该智能电池应用的功能性之外，这种单芯片解决方案还节省了设计成本和PCB空间。凭借所述微控制器的精度，可以更精确地预测电池的电荷状态从而有效增加实际电池容量。

权利要求

1.一种微控制器，包括：

处理器系统，其包含数据总线；

高电压接口，其连接至所述处理器系统并适合与电池连接，其中所述电池包括复数个单元；和电池管理系统，用于监视所述电池并基于所述对电池的监视管理所述电池，其中所述电池管理系统包含用于控制电池充电和放电的控制系统，其中所述控制系统包含连接到所述复数个单元和所述数据总线的复数个电池单元均衡FET，其中针对所述复数个单元的每一者，有一个电池单元均衡FET，和其中所述复数个电池单元均衡FET的每一者均经由连接到所述数据总线的控制寄存器由再编程应用软件直接控制；以及其中，所述微控制器为单芯片。

2.如权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统包括电池保护电路以检测所述电池上的至少一个非法状况，且保护所述电池免遭所述至少一个非法状况。

3.如权利要求2所述的微控制器，其特征在于，所述至少一个非法状况包括下列状况的至少一个：放电期间的深度欠电压、放电期间的短路、以及充电或放电期间的过电流。

4.如权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述处理器系统进一步包括：中央处理单元(CPU)。

5.如权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统进一步包括：适合经由所述高电压接口与所述电池连接的稳压器，其中所述稳压器用于将供给所述微控制器的电源电压调节至预设电平。

6.如权利要求5所述的微控制器，其特征在于，向所述稳压器的输入可在实质上4伏至实质上25伏直流电之间，且其中所述预设电平实质上为3.3伏。

7.如权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统进一步包括：第一模数转换器(ADC)，用于提供瞬时电流输出值和累计电流输出值。

8.如权利要求7所述的微控制器，其特征在于，当如果所述瞬时电流输出值大于可编程门限电流时，所述第一ADC生成对所述微控制器的中断以允许低功耗运行。

9.如权利要求7所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统进一步包括：第二模数转换器(ADC)，用于测量一单元电压，其中所述第一ADC和第二ADC用于提供连续监视所述复数个单元的每一者的电压和电流。

10.如权利要求9所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统包括连接至所述第一ADC和第二ADC的片上基准电压源以为所述第一ADC和第二ADC提供精确的基准电压。

11.如权利要求4所述的微控制器，其特征在于，所述电池保护电路进一步包括第一电流电池保护电路以通过监视来自所述电池的充电电流和放电电流来保护所述电池免遭过电流状况或短路状况。

12.如权利要求11所述的微控制器，其特征在于，所述电池保护电路进一步包括第二电池保护电路以保护所述电池免遭放电至低于可编程深度欠电压保护电平。

13.一种微控制器，包括：

处理器系统，其包括数据总线；

高电压接口，其连接至所述处理器系统并适合与电池连接，其中所述电池包括复数个单元；和电池管理系统，用于监视所述电池并基于所述对电池的监视管理所述电池，其中，所述电池管理系统包括：电池保护电路，用于检测所述电池上的至少一个非法状况并保护所述电池免遭所述至少一个非法状况；

第一模数转换器(ADC)，用于提供一瞬时电流输出值和一累计电流输出值，其中如果当所述瞬时电流输出值大于可编程门限电流时，接着所述第一ADC生成对所述微控制器的中断以允许低功耗运行；

第二模数转换器(ADC)，用于测量一单元电压，其中所述第一ADC和第二ADC用于提供连续监视所述复数个单元的每一者电压和电流；

连接至所述第一ADC和第二ADC的片上基准电压源以为所述第一ADC和第二ADC提供精确的基准电压；和控制系统，其用于所述控制所述电池的充电和放电，其中所述控制系统包含连接到所述复数个单元和所述数据总线的复数个电池单元均衡FET，其中针对所述复数个单元的每一者，有一个电池单元均衡FET，且其中所述复数个电池单元均衡FET的每一者均经由连接到所述数据总线的控制寄存器由再编程应用软件直接控制；和其中，所述微控制器为单芯片。

14.如权利要求13所述的微控制器，其特征在于，所述至少一个非法状况包括下列状况中至少一个：放电期间的深度欠电压、放电期间的短路、以及充电或放电期间的过电流。

15.如权利要求13所述的微控制器，其特征在于，所述处理器系统进一步包括：中央处理单元(CPU)。

16.如权利要求13所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统进一步包括：适合经由所述高电压接口与所述电池连接的稳压器，其中所述稳压器用于将供给所述微控制器的电源电压调节至预设电平。

17.如权利要求16所述的微控制器，其特征在于，向所述稳压器的输入在实质上4伏至实质上25伏直流电之间，且其中所述预设电平实质上为3.3伏。

18.如权利要求13所述的微控制器，其特征在于，所述电池管理系统包括连接所述第一ADC和第二ADC的片上基准电压源以为所述第一ADC和第二ADC提供精确的基准电压。

19.如权利要求13所述的微控制器，其特征在于，所述电池保护电路进一步包括第一电流电池保护电路以通过监视来自所述电池的充电电流和放电电流来保护所述电池免遭过电流状况或短路状况。

20.如权利要求19所述的微控制器，其特征在于，所述电池保护电路进一步包括第二电池保护电路以保护所述电池免遭放电至低于可编程深度欠电压保护电平。

说明书

含电池管理和保护的单芯片微控制器

技术领域

[0001] 一般地，本发明涉及一种微控制器，更具体地涉及一种包含电池管理和保护系统的单芯片微控制器。

背景技术

[0002] 对诸如笔记本计算机、手机和数码相机之类的便携应用的需求日益增加。这些应用日益小型化、高级化并伴随更激烈的价格竞争。没有应用元件可以回避这些强烈的需求，必不可少的应用电源即电池当然不能例外。电池容量的发展正在滞后于应用的要求，并且电池内化学反应的控制要遵从严格的安全要求，这使得难以突破化学技术的限制。除应用外期望电池尺寸更小而价格更低，这使电池厂商的日子更加难过。

[0003] 高级电池，或智能电池，含有大量电子元件。这包括确保电池单元不损坏或不危及用户的失效保护电路；解析电池状况并根据电池负载估算剩余电量的监视功能和逻辑；以及与主程序的通信。现有的智能电池应用的实现要采用至少两个集成电路：用于电池管理的微控制器和确保电池保护与测量的模拟前端。此外，有些还需要剩余电量估算和其它监视参数必需的第三芯片，即含有专用于电池化学的数据的EEPROM。这些解决方案成本高昂并占据板空间。

[0004] 还有，可再充电池的电流能力通常较低。对于需要高瞬时能量的应用，这个问题通过采用许多电池串联得以克服。这产生较高的电压，使得较低电流下具有较高能量。较高的电压对于标准半导体而言是个问题，因为这些半导体通常可应对2～5伏之间的电压。智能电池厂商通过使用独立的驱动器电路解决该高压输入/输出问题。这增加了系统的成本、重量和复杂性。

[0005] 因此，需要一种用于克服上述问题的系统和方法。本发明即致力于满足这样的需要。

发明内容

[0006] 公开了一种单芯片微控制器。所述单芯片微控制器包括处理器系统和与该处理器系统相连的高电压接口，该高电压接口适合与电池连接。所述单芯片微控制器还包括用于监视所述电池并基于电池监视管理电池的电池管理系统。所述微控制器是单芯片。除了扩展该智能电池应用的功能性之外，这种单芯片解决方案还节省了设计成本和PCB空间。凭借所述微控制器的精度，可以更精确地预测电池的电荷状态从而有效增加实际电池容量。

附图说明

[0007] 图1是根据本发明的微控制器的具体实施方式的框图。

[0008] 图2是根据本发明的稳压器的具体实施方式的框图。

[0009] 图3是根据本发明的FET控制系统的一种具体实施方式的框图。

[0010] 图3A是根据本发明的使用所述FET控制系统的一种工作电路的示意图。

[0011] 图4示出了根据本发明的电池平衡FET线路图的一种具体实施方式。

[0012] 图5示出了根据本发明的电压ADC的一种具体实施方式。

[0013] 图6是CC-ADC的具体实施方式的框图。

[0014] 图7示出了根据本发明的低功耗带隙基准电压源的具体实施方式。

[0015] 图8示出了根据本发明的电池保护CPU接口的具体实施方式。

具体实施方式

[0016] 一般地，本发明涉及一种微控制器，更具体地涉及一种包含电池管理和保护系统的单芯片微控制器。下面的描述用于使本领域的技术人员能制作和使用本发明，这些描述存在于专利申请和其要求书的文本中。对本文描述的优选实施方式的各种改进和一般原理及特征对本领域的技术人员而言是清楚明了的。因此，本发明不限于所示具体实施方式，而应被给予与本文描述的原理和特征一致的最宽的范围。

[0017] 根据本发明的系统和方法提供了一种包含电池管理和保护的单芯片装置。在单个裸片中，微控制器包括中央处理单元和能由多单元电池直接供电的稳压器。所述微控制器还包括适于电池监测的模数转换器、高电压充电及放电FET驱动器、电池单元均衡功能和独立的电池保护电路。除了扩展该智能电池应用的功能性之外，这种单芯片解决方案还节省了设计成本和PCB空间。凭借所述微控制器的精确性，可以更精确地预测电池的电荷状态。对电池的电荷状态了解越多，就可在达到电池单元自身开始损坏的水平之前更多地消耗该电池单元。从而增加电池的实际容量。

[0018] 所述微控制器具有高电压输入/输出，非常有助于减少系统中的零件总数。所述微控制器还包括内置稳压器。该稳压器使所述微控制器可在预定的电压范围(即4伏～25伏)内工作。所述模数转换器输入通道能测量高达25伏的电池单元电压，从而剔除了外置高电压模拟前端。该装置还提供了多个能计算25V电平的内置FET驱动器，所以无需外置FET驱动器。

[0019] 所述微控制器的电池监视功能适用于智能电池。所述电池监视功能包括电压模数转换器，该转换器在12伏直流电时的最低有效位(LSB)最大误差为+-1，这提供了对整个电池单元的良好电压测量。专用电量计量电流感测ADC可以高分辨率(如18位分辨率)和高精度地进行连续的电流监视。校准后误差+-1％的片上基准电压源使所述微控制器电池监视的高精度成为可能。例如，2004年3月4日递交的并通过引用全部并入本文的题为“Method and Apparatus ofTemperature Compensation for an Integrated Circuit Chip Using On-ChipSensor and Computation Means”的10/795,027号美国申请描述了这类校准的实例。电压和电流测量使得可以非常精确地估算电池中的剩余电量，使应用系统可以从电池汲取更多的能量。众所周知，如果电池的单元被耗尽至某一电压电平之下，该电池单元可能受损。然而，如果能确切获知该电平，就可以安全地使耗尽非常接近该电平而不会有电池单元受损的风险。如果可以确切获知电池电荷状态，就可能将前述安全限制进一步接近耗尽。测量装置的精确度较低时，必须将安全频带插入估算以确保用户可以安全地关闭。该安全频带表示所述估算确实可以信赖时可以利用的能量。根据本发明的微控制器提供了利用该能量所需的精度。

[0020] 现参考下面结合附图的阐述，以更详细地说明本发明的特征。以一种具体的微控制器为背景对本发明进行说明；然而，本领域的技术人员应认识到本发明的特征可在各种装置中使用并且这种使用落在本发明的精神和范围内。Atmel公司制造的Smart Battery AVR(ATmega 406)是一种包含本发明特征的装置。2005年6月的“ATmega 406 Preliminary Comp lete Document”对ATmega 406作了描述，通过引用将其全部并入本文。

[0021] 图1为根据本发明的微控制器100的具体实施方式的框图。一具体实施方式中的微控制器100包括下述组件：处理器、数据总线118、带同时读写(read-while-write)功能的在系统可编程快闪存储器、EEPROM134、SRAM132、多个通用工作寄存器(未示出)、多条通用I/O线(未示出)、多条通用高电压I/O线(未示出)、片上调试支持和编程用JTAG接口139、两个带脉宽调制和比较模式的活用计时器/计数器147和148、唤醒计时器136、适应系统管理总线(SM-bus)的双线接口模块142、内部和外部中断、具有内置振荡器的可编程监视计时器124、和四个软件可选节电模式。微控制器100还包括振荡电路/时钟生成电路
120、电源监管电路126、和充电器检测电路128。所述数据总线118与端口138、140、144和
142相连。

[0022] 微控制器100还包括稳压器102、FET控制电路104、专用电池保护电路106、集成的电池单元均衡FET 108、高电压模拟前端、和带有用于电池电量计量的片上基准电压源112的两个ADC 110和114。

[0023] 在一个具体实施方式中，CPU 116兼具丰富的指令集与所述多个通用工作寄存器。这些寄存器全部被直接连接到算术逻辑单元(ALU)(未示出)，使两个独立寄存器可在执行于一个时钟周期内的单条指令中被访问。所形成的架构具有更高的代码效率，并实现比现有CISC微控制器快十倍的处理量。

[0024] 空闲模式停止CPU 116的同时使其它芯片功能继续起作用。掉电模式允许稳压器102、电池保护电路106、监视计时器124和唤醒计时器136运行，而停用所有其它芯片功能直至下一次中断或硬启动。在省电模式中，唤醒计时器136、电池保护电路106和CC-ADC
114继续运行。

[0025] 片上快闪存储器130允许可由现有的非易失存储器编程器或由在CPU 116上运行的片上引导程序对程序存储器进行在系统再编程。引导程序能使用任意接口下载所述快闪存储器中的应用程序。在更新应用程序快闪存储器的扇区时，引导快闪130中的软件将继续运行，从而提供真正的同时读写操作。通过将CPU 116和单一芯片上的快闪存储器130、ADC 110和114、专用电池保护电路106、电池单元均衡FET 108和稳压器102结合，微控制器100提供了一种高度灵活和节省成本的电池应用解决方案。

[0026] 稳压器102在较宽电压范围下运行，例如4.0～25伏。该电压被调节成恒定的标称工作电压，例如，通常为3.3伏，用于集成逻辑电路与模拟功能元件。

[0027] 电池保护电路106监视电池电压和充电/放电电流以检测非法状况并在必要时保护该电池免受这些非法状况。所述非法状况指放电期间的深度欠电压、放电期间的短路以及充电和放电期间的过电流。

[0028] 集成电池单元均衡FET 108使得以软件方式执行电池单元均衡算法。

[0029] 现参考下面结合附图的阐述，以更详细地说明微控制器100的特征。

[0030] 高电压I/O

[0031] 为电池监视和管理装置提供了若干高电压输入和输出：

[0032] -输入至稳压器。该输入向直接从该电池汲取的装置供电，电压范围为4～25伏。

[0033] -输入至用于各电池单元电压测量的电压ADC。

[0034] -检测电池充电器存在的输入。

[0035] 高电压漏极开路输出(Open Drain Output：PCO)。

[0036] -输出至充电、放电和预充电FET。

[0037] 该高电压技术使得可以将快闪程序存储器和逻辑电路以及精确的模拟电路集成在同一裸片上作为高电压容限I/O。微控制器100可容限高电压(25伏)，使其适合多单元电池。

[0038] 稳压器102

[0039] 图2为根据本发明的稳压器102的具体实施方式的框图。

[0040] 现代半导体通常在2～5伏范围的电源下工作。因此，电压高达25伏的电池不能直接向所述半导体供电。微控制器100由该电池通过内置稳压器102供电。输入到稳压器102的电压允许在在4～25伏内变化。该电压被内部调节成适用于所述内置逻辑电路、低电压I/O线和模拟电路的3.3v。为使闲置期间的功耗最小化，所述稳压器可选择地包含功耗控制模块202。当微控制器100进入低功率模式时，稳压器102将降低稳压器自身的消耗，进而有助于降低功耗。设置1，或更大的外置去耦电容206用于稳压器102的工作。

[0041] 电池管理

[0042] 智能电池不仅监视电池参数，它还将根据这些参数管理该电池的环境。微控制器100提供电池充电算法、电池单元均衡以及与主程序的通信以管理和保护电池。

[0043] FET控制系统104

[0044] 图3是根据本发明的FET控制系统104的具体实施方式的框图。图3A是利用根据本发明的FED控制系统的工作电路的示意图。参见图1、图3和图3A，除了来自电池保护电路106的FET停用控制信号外，所述CPU也可通过写入所述FET控制与状态寄存器302停用充电FET(C-FET)352、放电FET(D-FET)354或停用上述两者。请注意一定不能允许CPU116启用由电池保护电路106停用的FET。

[0045] 来自8位计时器/计数器0的脉宽调制器(PWM)输出，即信号OCOB，可被设置成经由FET驱动器310、预充电FET(PC-FET)或两者来直接驱动C-FET 352。这可用于控制电池单元的充电。在寄存器中该PWM设置为2:0位。请注意，所述OCOB引脚无需被设置为输出。这意味着所述PWM输出可用于驱动C-FET 352和/或PC-FET 350而不占用OCOB引脚。

[0046] 如果C-FET 352停用且D-FET 354启用，放电电流将流经C-FET 352的体漏二极管，反之亦然。为避免由这种情况引起的潜在的发热问题，软件须确保当充电电流流动时D-FET 354不被停用，且当放电电流流动时C-FET 352不被停用。

[0047] 如果电池被深度放电，在与充电器相连时会产生大浪涌电流。对这种情况，建议通过限流电阻先对该电池进行预充电。为此目的，微控制器100设有预充电FET 350(PC-FET)控制输出。该输出默认为启用。

[0048] 如果微控制器100已进入断电模式，所有的FET控制输出将被停用。当与充电器连接时，CPU 116会苏醒。从断电模式苏醒时，C-FET 352和D-FET 354控制输出将维持停用状态而PC-FET 350默认为启用。当CPU 116检测到电池单元电压已升高至足以允许正常充电时，它会启用C-FET 352和D-FET 354控制输出并停用PC-PEF 350控制输出。如果下文将作详细说明的电流电池保护(CBP)已被激活，所述电流保护计时器将确保在软件能重启所述外置FET之前有1秒钟的时延时间。

[0049] 电池单元均衡系统108

[0050] 图4示出了根据本发明的电池单元均衡FET 108线路图的一个具体实施方式。微控制器100包含电池单元均衡FET 402a～402d。微控制器100为各电池单元提供一个电池单元均衡FET 402a～402d。FET 402a～402d由应用程序直接控制，使所述电池单元均衡算法可以软件实现。在一具体实施方式中，FET 402a～402d与各个电池单元并联连接。断电模式中电池单元均衡FET 402a～402d被停用。

[0051] 通过电池单元均衡FET 402a～402d的典型电流(TCB)为2mA。电池单元均衡FET402a～402d由电池单元均衡控制寄存器406控制。在本实施方式中，相邻FET不能被同时启用。如果试图启用两个相邻FET，它们两个都将被停用。

[0052] SMBusTM118

[0053] 在PC电池应用中，SMBus(System Management Bus：系统管理总线)是与PC通信的标准。微控制器100提供了与该SMBus标准兼容的双线串行接口。

[0054] -简单但功能强大且灵活的通信接口，仅需两条总线

[0055] -同时支持主从操作

[0056] -7位地址空间允许多达128个不同从属地址

[0057] -支持多主判优(Multi-master arbitration)

[0058] -4MHz时钟运行，达到100kHz数据传输速度

[0059] -压摆率限制的输出驱动器

[0060] -噪声抑制电路阻止总线线路上的尖峰信号

[0061] -带有通用调用支持的完全可编程从属地址

[0062] -当CPU处于睡眠模式时，地址识别引起唤醒

[0063] 利用CPU的自编程功能所述SMBus接口可用于更新程序代码。

[0064] 电池参数

[0065] 如前所述，微控制器100包括存储数据的EEPROM 134。它形成为独立的数据空间，其中可读写单字节。该数据空间用于存储对电池应用至关重要的关键数据。

[0066] 电压测量

[0067] 电池中的单个电池单元电压需要差动ADC测量。为将测得电池电压的电平调节为ADC的电平，设置了内置增益。使用单端通道测量电池内不同位置上的其它参数，如调节电压和温度等。

[0068] 电压ADC 110

[0069] 图5示出了根据本发明的电压ADC 110的一个具体实施方式。该实施方式的V-ADC110包括多个差动通道、用于接收差动通道的输入多路复用器502、12位σ-δADC 504、与输入多路器502及σ-δADC 504通信的V-ADC控制系统506。V-ADC控制和状态寄存器
508从数据总线116接收数据并向数据总线116提供数据。V-ADC控制和状态寄存器508还从V-ADC控制系统506接收数据并向V-ADC控制系统506提供数据。V-ADC 110还包括从σ-δADC 504接收数据并向数据总线116提供数据的V-ADC数据寄存器510。用于电池单元电压测量的四个差动通道(PV1-NV、PV2-PV1、PV3-PV2、PV4-PV3)被缩放以符合所述V-ADC的全量程。此外，还有六个以地面信号为基准的单端通道。一个通道用于测量内置裸片温度传感器(VTEMP)，四个通道(ADC3～ADC0)测量用于电池单元温度监视的端口A的引脚，一个通道(ADC4)测量内置调节电压VREG。ADC-4输入也被缩放以符合V-ADC的全量程。

[0070] 为精确测量电池电压，在所述模拟电路前端为各电池单元电压增益设置了校准寄存器。出厂校准值存储在该寄存器中，并用相应的校准值对电池单元电压的V-ADC转换进行缩放以修正所述模拟前端中的增益错误。该校准通常用过软件进行。

[0071] 计数电子器件

[0072] PC电池经常处于过度使用；它经常被耗尽然后以若干负荷水平下再充电。希望智能电池可在任意给定时间报告在其被耗尽前还能维持电流负载多长时间。为向终端用户提供此项服务，所述电池需确切获知该电池放出了多少能量从而从该电池的充满容量中扣除该数量。一旦确定电池剩余容量，剩余电荷算法就能估算基于现有负载的剩余时间。充电曲线上不同电压点的校准不够精确；智能电池还需主动记录并计数该电池的充电电流和放电电流。

[0073] 如前所述，微控制器100还包括为库仑计数作了优化的专用库仑计数模/数转换器(CC-ADC)114以对流经所述外置感测电阻的充电或放电电流进行采样。在已转让给本申请受让人的题为“Current Sensing Analog to Digital Converterand Method of Use”的待决美国专利申请11/043,669[3446P]中描述了这钟ADC。

[0074] 图6为CC-ADC 114的具体实施方式的框图。CC-ADC 114包括σ-δ调制器602、抽取滤波器604和606、电流比较器608、正常电流IRQ电平610、控制和状态寄存器612以及8位数据总线118。σ-δ调制器602向抽取滤波器604提供数据。抽取滤波器604向抽取滤波器606、电流比较器608和8位数据总线118提供数据。正常电流IRQ电平610从8位数据总线118接收数据并向8位数据总线118和电流比较器608提供数据。控制和状态寄存器612从8位数据总线118接收数据，并向抽取滤波器604和606提供数据。抽取滤波器606从控制与状态寄存器612及抽取滤波器604接收数据，并向8位数据总线118提供数据。有两个不同的输出值：瞬时电流和累计电流。瞬时电流输出的转换时间短，其代价是分辨率较低。累计电流输出为库仑计数提供高度精确的电流测量。

[0075] 累计电流输出是具有可编程转换时间的高分辨率、高精度输出。转换值为一个转换周期内平均电流的精确测量值。如果中断被启用，每完成一次新的累计电流转换，CC-ADC114就生成一个中断。

[0076] 当CC-ADC在转换时，CPU 116可进入睡眠模式并等待来自所述累计电流转换的中断。在加入用于库仑计数的新的累计电流值后，CPU 116可再回到睡眠模式。这降低了所述CPU的工作载荷，并使更多的时间处于低功耗模式，降低电耗。

[0077] 如果瞬时电流转换的结果大于可编程门限，CC-ADC会生成中断。这使得对正常电流状况作检测。这允许超低功耗运行，这时CC-ADC 114可被设置成进入具有可编程电流采样间隔的正常电流检测模式。在其在用户软件指定的时间间隔被关闭之前，CC-ADC 114将反复进行瞬时电流转换。这允许在保持CC-ADC大多数时间关闭的同时进行所述正常电流检测。

[0078] 内置基准电压源112

[0079] 图7示出了根据本发明的低功耗带隙基准电压源112的具体实施方式。低功耗带隙基准电压源112为所述微控制器提供了精确的1.100V的片上基准电压(VREF)。该VREF被用作片上稳压器102、V-ADC 110和CC-ADC 114(图1)的基准。在优选实施方式中，两个ADC 110和114的基准使用带有外置去耦电容706的缓冲器704，使得以最低功耗实现卓越的噪声性能。CC-ADC 114的基准电压VREF_P/VREF_N被缩放以与电流感测输入引脚的全量程相匹配。这样的设置还使得V-ADC 110和CC-ADC两者可以同时工作。

[0080] 为使出厂校准后的温漂较低，微控制器100包括两步校准算法。例如，在前述10/795,027号美国申请中描述了这种算法。第一预设温度如85℃，第二步在第二预设温度(如室温)时进行。出厂校准默认为85℃，且该结果存储在所述快闪存储器中。第二校准步骤可由用户作为测试流程中的指令进行。该步骤要求精确的输入电压和稳定的室温。亦可在运行时更改该校准寄存器以在软件中进行温度补偿。所述温度范围内的任意温度均可达到精确。

[0081] 还有，在另一具体实施方式中微控制器100包括监视所述裸片温度的片上温度传感器(未示出)。与绝对温度成比例的电压，VPART，在基准电压源电路中生成并在V-ADC输入端连接至该多路复用器。该温度传感器可用于对所述基准电压源和片上振荡器120中的温漂作运行时补偿。

[0082] 电池保护CPU接口

[0083] 图8示出了根据本发明的电池保护CPU接口的具体实施方式。该电池保护CPU接口包括电流电池保护电路(CBPC)804和电压电池保护电路(VBPC)802及多个电池保护参数可锁寄存器806、808、810、812和814。所述接口与FET控制系统104和8位数据总线118连接。

[0084] 各种保护具有中断标志。CPU 116可阅读和清除各标志，且各标志具有各自的中断启用。所有启用的标志与对CPU 116的单一电池保护中断请求结合。该中断能从除了断电模式以外的任意工作模式中将CPU 116唤醒。将逻辑“1”从CPU116写入中断标志的位位置(bit locations)可清除所述中断标志。

[0085] 既没有标志也没有状态位(status bits)表明微控制器100已进入断电模式。这是因为在这个模式CPU 116是掉电的。然而，在CPU 116重新运行时，通过监视它的重启标志，CPU 116可以检测到它刚经历断电状态。

[0086] 所述过电流和短路保护参数可再编程以适应不同类型的电池。通过写入I/O寄存器设置所述参数。在初始设置后可锁定所述参数寄存器，以防止任何进一步更新，直至下次硬启动。

[0087] 安全参数储存

[0088] 在优选实施方式中，可以锁定设置在所述电池保护参数寄存器中的电池保护参数和设置在所述电池保护停用寄存器中的停用功能，以阻止进一步的软件更新。一旦锁定，下次硬启动前这些寄存器不能被访问。这提供了保护这些寄存器免受软件失控所致的意外修改的安全模式。推荐在重启后立即由软件设置这些寄存器，然后保护这些寄存器免受进一步更新。

[0089] 电流电池保护电路(CBPC)804监视所述充电和放电电流，如果检测到过电流或短路的情况就停用C-FET、PC-FET和D-FET。有三个不同的可编程检测电平：放电过电流检测电平、充电过电流检测电平和短路检测电平。PI/NI输入引脚的外置滤波器会引起短路检测的时延过大。因此，使用独立的PPI/NNI输入端用于电流电池保护。有两个不同的用于激活电流电池保护的可编程时延：短路反应时间和过电流反应时间。电流电池保护被激活后，应用软件必须重启所述FET。在一个具体实施方式中，电池保护电路106设置了软件能重启所述放电FET之前的滞后时间，譬如1秒钟。这为万一该应用软件意外地过早重启所述放电FET的情况提供了安全保障。

[0090] 保护激活还向CPU 116发出中断。该电池保护中断可由CPU 116个别启用或停用。该具体实施方式中各种电池保护类型的效果列于表1。

[0091] 表1电池保护类型的效果

[0092]电池保护 中断请求 C-FET D-FET PC-FET 电池单元 MCU
类型 均衡FET
检测到深 CPU退出 停用 停用 停用 停用 断电
度欠电压 重启
放电过电 进入和退 停用 停用 停用 运行 运行
流保护 出
充电过电 进入和退 停用 停用 停用 运行 运行
流保护 出
短路保护 进入和退 停用 停用 停用 运行 运行
出

[0093] 为降低电耗，在所述D-FET停用时短路和放电过电流保护都被自动解除。在C-FET和PC-FET都被停用时充电过电流保护也被停用。但是请注意，当C-FET或PC-FET受控于PWM时，从不自动停用充电过电流保护。

[0094] 下文对上述类型的各电池保护和它们的特征作详细说明。

[0095] 深度欠电压保护

[0096] 深度欠电压保护确保电池单元放电不会低于可编程深度欠电压检测电平。如果所述VFET引脚的电压低于该电平的时间超过可编程时延时间，所述FET被自动切断且所述微控制器进入断电模式。在所述微控制器进入断电模式前250ms设置电池保护中断寄存器中的深度欠电压早期报警中断标志(DUVIF)。这给了CPU116在电源切断前采取必要措施的机会。

[0097] 微控制器100将维持断电模式直至与充电器连接。当检测到充电器时，常规加电顺序被启动，微控制器100初始化至默认状态。

[0098] 所述深度欠电压时延时间和深度欠电压检测电平设置在电池保护深度欠电压寄存器(BPDUV)中，该寄存器是电池保护电平寄存器的一部分。在初始配置后所述参数寄存器可被锁定至下次硬启动，以防止进一步更新。

[0099] 放电过电流保护

[0100] 电流电池保护电路通过PPI/NNI输入引脚的电压进行采样监视电池电流。差动运算放大器以合适的增益放大该电压。该运算放大器的输出通过模拟比较器与精确的、可编程片上电压基准作比较。如果分流电阻电压在所述放电过电流检测电平之上的时间超过过电流保护反应时间，微控制器100激活放电过电流保护。由内置ULP(超低功耗)振荡器锁定的被采样系统用于过电流和短路保护。这确保可靠的时钟源、偏移消除、和低耗电。

[0101] 当放电过电流保护被激活时，外置D-FET、PC-FET、和C-FET被停用而电流保护计时器启动。该计时器确保上述FET被停用一预定的时间周期(即1秒钟)。在认为安全时，应用软件必须接着设置FET控制与状态寄存器中的DFE和CFE位以重新启用正常运行。如果D-FET被重启而电池的负载仍然过大，放电过电流保护将被再次激活。

[0102] 充电过电流保护

[0103] 如果PPI/NNI引脚的电压在充电过电流检测电平之上的时间超过过电流保护反应时间，微控制器100激活充电过电流保护。

[0104] 在充电过电流保护被激活时，外置D-FET、PC-FET、和C-FET被停用而电流保护计时器被启动。该计时器确保上述FET至少被停用1秒钟。在认为安全时，设置FET控制与状态寄存器302(图3)中的DFE和CFE位以重启正常运行。如果C-FET被重启而充电器提供的电流继续过高，充电过电流保护将被再次激活。

[0105] 短路保护

[0106] 设置高电流检测的第二电平以加快对极大放电电流的反应时间。如果放电电流大于短路检测电平的时间超过短路反应时间，短路保护被激活。

[0107] 当短路保护被激活时，D-FET、PC-FET和C-FET被停用而电流保护计时器被启用。该计时器确保上述D-FET、PC-FET和C-FET至少被停用一秒钟。在认为安全时，应用软件必须接着设置FET控制与状态寄存器中的DFE和CFE位以重新启用正常运行。如果D-FET在短路状况被消除前被重启，短路保护将被再次激活。

[0108] 电耗

[0109] 为避免在长期储存时损坏电池，电池自身消耗的电量尽可能少是很重要的。通过剔除外置元件和将所有功能性集成于一个单芯片封装，单芯片实现有助于降低系统电耗。此外，微控制器100提供了各种称为睡眠模式的低功耗模式。睡眠模式使应用程序可以关闭微控制器100中未使用模块，从而可以节电。微控制器100提供了四种睡眠模式，允许用户根据应用程序的要求定制电耗：

[0110] 1.空闲模式，该模式中CPU 116被停止但所有外设功能元件继续运行。

[0111] 2.ADC降噪模式，该模式在省电的同时改善ADC的噪声环境。如果V-ADC 110(图1)被启用，一旦进入这个模式就自动开始转换。

[0112] 3.省电模式，该模式中快速RC振荡器被停用。仅有电池保护电路106和低速振荡器还有测量电流CC-ADC 114(图1)保持运行。

[0113] 4.掉电模式，该模式中快速RC和低速RC时钟被停止。电池保护、监视计时器124(图1)或外部中断、或SMBus地址匹配能唤醒该装置。

[0114] 5.断电模式使稳压器102(图1)可以切断向CPU 116供电，仅留稳压器102和充电检测电路128继续运行。在此模式中微控制器100确保即使电压过低电池单元也不受损。

[0115] 表2示出了微控制器100的一个具体实施方式的重要的电耗数据。

[0116]状况 电流消耗
运行的1MHz 1.2mA
空闲1MHz 0.6mA
省电 90μA
掉电 20μA
断电 2μA

[0117] 根据本发明的系统和方法提供了一种含电池管理和保护的微控制器。该微控制器提供了一种含电池保护和管理的单芯片装置。除了扩展该智能电池应用的功能性之外，这种单芯片解决方案还节省了设计成本和PCB空间。凭借所述微控制器的精度，可以更精确地预测电池的电荷状态从而有效增加实际电池容量。

[0118] 虽然已根据所示具体实施方式说明了本发明，本领域的技术人员很容易认识到可以对这些具体实施方式作改动且这些改动在本发明的精神和范围内。因此，本领域的技术人员可进行许多改动而不脱离所附权利要求的精神和范围。