电池智能管理系统应用

     研发于20世纪90年代末期，致力于将充电技术从电池化学中分离出来并支持平台无关的可以互换的电池模块。从此智能电池广泛应用于从笔记本电脑和手机到无线玩具和手持吸尘器等电器上。几家销售这些设备的公司都按照智能电池充电器和智能电池管理电路的标准执行。但是新的电池化学技术的发展和当前电池系统的应用空间越来越小，这就促使电池管理系统不断改进直到接近了它的极限。直到Actel的可编程门阵列的出现为电池智能管理应用系统的革新打开了一扇大门。

　　从图1可以看出，智能电池的概念界定为界面，数据集，智能电池的处理方式，电池选择器，电池充电器和智能电池系统的主元素。这个应用概述主要描述了一个智能电池系统所必需的组成部分，并用插图描述了Actel可编程门阵列FPGA是如何节省空间并实现了所有必须的功能。

　　图2是一个典型的利用成品元件的智能电池的执行图。智能电池一般包括一个或多个二次电池单元，模拟监控芯片，数字控制器芯片，各种二极管，晶体管，被动器件及多余的安全监控芯片。这些都用来监控电池的电压，电流和温度，控制电池包在允许的范围内放电和充电。

　　Actel的可编程门阵列同时提供了模拟监控和数字控制的功能。一些制造厂家更愿意保留多余的安全器，这种熔断型的拥有足够多资源的FPGA器件在应用中提供了很大的灵活性。

　　模拟功能

　　职能电池控制器必须能够测量电池包里每个电池组的电压值，也必须能够测量电池充放电的电流和温度，同时它也能驱动电池外部的一系列晶体管去控制电池包的放电，充电和熔断保护。为了实现这些功能，熔断设备里有一系列的模拟输入和输出接口，这些管脚分类排列的接口被称为模拟嵌块，每个模拟嵌块都给对应的模拟多路器提供模拟信号，随后通过内部采样模块和保持电路，最后到达12位模数转换器。

　　模拟嵌块可配置用来测量电池的电压，电流和温度，三个输入端的任何一个端口都可以用来测量电池的单端电压，AV和AC的输入都可以作为差分信号，通过外部的电流监控电阻器来测量电压降，同时AT可以配置为外部的二极管提供小的震荡电流以便测量二极管周围的温度。

　　然而大部分的电池不需要提供负极电压，这种控制输入电压的能力消除了外部部件电路，同时提高了测量电压的精度。以典型的3组锂离子电池包为例，Actel的可编程门阵列里12位模数转换器可以提供分辨率为4mV和0.25V准确度不可调的电压测量。这对于电池的控制保护电路已经足够了。

　　除了模拟输入，每个模拟嵌块都包含有金属氧化物半导体场效应晶体管控制器。这些驱动器有可编程的驱动力，并且能将金属氧化物半导体场效应晶体管的场力拉到地面。这种驱动器是在大多数的电池智能管理项目中用来控制各种MOSFET开关的最佳选择。、

　　不像大多数的成品管理设备，熔断设备集成了RC振荡器，因此就不需要外部晶振，通过耦合任何一个带锁相环和精确的多路复用器的熔断器，这种独特的特征能够很好的保护电池电力，在没有外部器件的情况下，通过一个非常慢的处理时钟来实现。

　　在智能电池的应用中，当.处于待命状态时，熔断实时计数器能用作定期唤醒设备并更新设备状态的间隔定时器。同时，这个电路包含一个活跃的探测器，能够用来唤醒设备，不论是例如按钮的外部事件还是总线的活动都能检测到。

　　最后，熔断模拟部件包括一个电压调节器，用来为熔断设备提供1.5V电压，设备内核工作在1.5V电压下可以节省一半的电量，这个调节器有一个跟上面提到的RTC电路相联系的内部关闭装置，通过关闭调节器能够使关闭电路允许FPGA逻辑性达到初始的待命模式，不论是外部的事件引起，还是RTC的计数达到了程序设定值，通过启动调节器，RTC都能使设备工作。

　　数字模拟

　　在FPGA架构中，汽车管理系统界面（俗称SM BUS）的数据交换，开机的初始化逻辑，关机状态保存的参数及机器的实时变量，或从集成处理器输入的ADC序列参数的处理及各种操作必要的计算是通过数字逻辑实现的，从而可以正确的监视和控制智能电池的充放电。并且，FPGA逻辑能支持特定的设计例如：电池的可靠性，额外的电池的安全性，独特的多电池构造，或者在成品电池控制中不能被发现的特点。

　　稳定记忆（非易失性内存 NVW）

　　对于智能电池的应用，NVW通常被用来储存进入待机状态前或关机休眠模式的各参数的变量，以及在任何状态下开机时初始化设备。NVW也可能用来执行ROM机器代码的命令，或者为嵌入数据处理机储存微代码命令。

　　稳定性

　　稳定性是熔断设备（保险装置）的关键特征，基于这个特征才使这个设备适用于智能电池的应用。熔断设备（保险装置）是随开关实时启动的。熔断设备随着电压的升高也能正常工作，基于现场可编程门阵列结构即使在没有电力的情况下也能保持它的程序状态，当核心电压达到启动电压设备就能运行，这就意味着可编程门阵列在升压过程中能够可靠的控制MOSFET状态，并且能满足汽车管理系统的要求，在微秒范围内就能起到监控作用。

　　总结

　　Actel的可编程门阵列融合了标准智能电池.和控制器所需的特征，能够对模拟态的电压，电流和温度的进行测量。Fusion FPGAs（可编程门阵列）包含了对电池的各种状态参数储存的NVM和处理器代码储存的NVM。在Actel的可编程门阵列中，可编的数字逻辑门和嵌入数据处理机融合在一起的特点，使其单芯片的解决方案给创造力和革新留下足够的空间。