[经验] 使用BIF管理嵌入式可充电电池

2020-5-13 11:19:46  739 嵌入式
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在可预见的将来,许多现代移动和嵌入式消费电子产品将受到无线束缚设计中可用电量的支配。尽管为创建使这些设备真正独立的各种能量收集方案而进行了大量工作,但电池将始终以某种形式存在,以提供备用电源,并作为恒定和常规电源来驱动电子设备。
数十亿个锂离子电池正在使用中;越来越多的采用可充电格式。有许多不同的,主要是专有的电池。缺乏通用的电池接口标准已导致整个行业的额外工作和后勤工作。
所有这些不同方案中的一个共识点是使用某种智能电池技术的重要性,通过该技术,移动终端主机平台和电池组之间可以交换信息。智能电池技术通过提供可靠的电池身份验证,对运行条件的多种感测(例如,多个,等)以及与电池有关的全面数据集(例如,制造参数,充电配方),可以显着提高最终用户的安全性。特别是,通过使用密码学上强的算法进行电池身份验证,可以避免使用不符合要求的安全标准[3]或与移动设备的充电参数不兼容的潜在危险假冒电池,从而提高了最终用户的安全性。
不幸的是,在没有关于“智能”在充电电池中的含义的共识的情况下,移动设备制造商必须协调,指定和维护生态系统中不同方面的专有解决方案,这些方面包括他们自己,移动芯片组供应商,电池IC供应商和电池包装制造商。
在MIPI联盟的保护下,解决此问题和其他麻烦的电池问题的方法正在消费者和移动行业中发展。移动设备行业的一些利益相关者开始以MIPI的电池接口规范(B)的形式为电池接口开发新的行业标准。
电池充电的许多规则
嵌入电池充电需要特别注意,以确保某些电池类型的安全操作。对于今天广泛用于便携式设备中的锂基电池而言,尤其如此(另请参见[5])。在为这些电池充电时,必须遵循适当的约束条件以精确控制充电电流和电压。充电段定义为充电电压和电流的组合,通常取决于电池温度和电池电压。通过充电算法选择充电段,并将其应用于精确可控的CC / CV(恒定电流/恒定电压)充电器。
对于给定的电池,可以建立由一组充电段组成的充电曲线,以便在温度和电池电压范围内充电都是安全的,其示例如图1所示。不遵守此充电规范可能会导致各种缺陷,例如电池加速老化,过热甚至电池物理损坏,可能会导致最终用户受伤。
图1:锂电池充电曲线
常规充电的局限性。 便携式设备充电子系统通常设计用于特定的电池或一组电池。与设计原型以外的电池一起使用时,通常不能保证安全操作或相同的性能。这种灵活性限制了整个产品寿命中电池的选择。
便携式设备与电池类型之间的这种牢固联系是一个重大限制,例如,考虑到该产品设计对电池的多来源采购的影响。从逻辑上讲,电池的每个电源都将向充电子系统提供其基本的充电曲线,并且产品充电子系统将进行适当的调整。
但是对于固定的充电子系统,方法则完全相反:充电子系统为电池源设置了充电配置文件要求。这通常会导致充电性能下降,并且无法最佳利用不同来源的电池。这也可能导致给定电池供应商的电池单位成本更高,因为他们可能需要修改和定制其电池设计,以支持为每个便携式设备的充电子系统建立的充电配置文件。
电池类型与便携式设备充电子系统的牢固连接也可能会限制使用需要不同充电配置文件的更新或更先进的电池技术。便携式设备一旦在市场上可供最终用户广泛使用,通常就无法使用最新最先进的电池,甚至无法适应更新的充电配置文件。
同样,最终用户可能无法在售后市场中有效使用容量更高的电池–充电时间可能会比新电池所需的时间更长,或者电池容量利用率不足。为了对各种电池和化学物质实施充电,传统的软件状态机变得越来越复杂,并且变得难以维护。
电池/设备通信是关键,
因为可再充电电池管理中的许多困惑似乎都与电池子系统如何与其所在的移动系统进行通信有关,因此BIF专门处理并定义了通信接口,因此实际功率交付接口和电池的机械参数不在其范围内。尽管如此,BIF还是带来了令人印象深刻的功能。
首先,BIF使接口成本最小化,因为它除了电池的电源外仅需一个引脚即可。由于恶劣的操作环境,典型电池组的机械销具有很高的可靠性要求,并占用了移动设备中的宝贵空间。这些引脚是移动设备中成本较高的组件。
BIF通过一个主设备和一个或多个从设备实现一种简单的多点接口结构。它允许在同一条单线总线上连接多个IC。智能电池可能在电池组中包括多个从属设备。除了主设备之外,移动设备PCB还可包含多个从设备。
接口的通信速度是动态可伸缩的,以匹配不同操作条件或数据速度要求下移动设备系统中的各种可用源。
BIF主设备的收发器可以通过硬件中的串行器/解串器实现,也可以通过软件驱动和直接检测通用I / O引脚来实现。
快速(约1毫秒)的电池组存在检测可在没有其他或的情况下进行,如果电池组断开连接,则可立即通知系统。如果电池组的机械设计确保通信引脚始终是第一个断开连接的引脚,则这可以为系统软件腾出一些时间来仍然执行关键的关机操作。
在检测到并报告了电池取出或更长的触点断裂的情况下,可以容忍通信中由于触点不稳定,ESD或电源电压反弹而引起的短信号毛刺
BIF允许以经济高效的方式实现数据收发器。可以使用廉价且不准确的时钟源来构建从设备。BIF协议旨在解决这些错误。
对于移动设备组,BIF设计用于低电压操作,支持2.8V至1.1V的I / O电压。这样可以在最新的半导体工艺中实现接口。
除了物理层和链路层协议,BIF还定义了更高级别的数据结构。对于某些标准功能(例如温度,非易失性),定义了标准寄存器布局,以允许在系统中使用通用软件驱动程序。
除了BIF规范定义的基本功能外,BIF还允许制造商特定的功能。这使从设备在市场上脱颖而出,并通过相同的统一界面访问新的创新功能。BIF还负责在电池组生产链的不同阶段以及在电池组正常使用期间非易失性数据。
BIF体系结构
BIF仅向电池组的两个电源连接器(VBAT,GND)添加一根单线(电池通讯线或BCL)。通讯信号通过BCL参照电源地(GND)进行交换
BCL承载所有与BIF相关的信号,包括电池存在检测,模拟电池识别,模拟电池与智能电池之间的区别以及数据通信。
BIF数据通信包括数据交换,地址和命令字,带内中断和从节能模式唤醒。
BIF总线上有两种类型的设备,主设备和从设备。每个BCL只有一个主机,但是可能有多个从机。从站既可以位于电池组内部,也可以位于电池连接器的移动设备侧。
奴隶有两种类型,主要奴隶和次要奴隶。主从站具有保留的地址,并且可以携带有关电池组中其他从站的信息。主从站需要具有非易失性存储器才能传送此信息。
BIF主设备通常放置在IC()中,如图2所示。或者,可以将其放置在数字基带(BB)IC上。
图2:移动终端主机中的BIF主从设备
BIF协议
BIF协议被设计为数据传输接口。实际的电池应用(例如温度测量和身份验证)使用该协议,但不会干扰该协议。数据传输和电池应用程序使用情况明确分开。
BIF协议设计的主要目标之一是在保持较小硅尺寸的同时实现灵活性。硬件BIF收发器可以在典型的CMOS工艺中实现约1k门。
BIF通信数据速率可在3.27 kbit / s – 250 kbit / s(平均)之间扩展。最低数据速率已扩展至〜3 kbit / s,因为在许多系统中,由于实时时钟要求,可提供32.768 kHz时钟。当主机中只有此时钟可用时,即使在省电模式下,这也可以进行BIF通信。
最大数据速率限制为250 kbit / s,以最小化从设备接收器的复杂性。经过分析,足以满足当前BIF的使用情况(例如,允许进行合理的快速身份验证)。但是,将来可以将更高的速度定义添加到BIF规范中。
BIF通信始终由主机发起,并且基于数据字。主机在每个字的开头定义通信速度,被寻址的从机必须在其响应中使用该速度。因此,从理论上讲,主机和从机之间的每个事务可能以不同的速度发生。
时间距离编码。BIF信号传输基于信号电平变化之间的经过时间。在下文中,这也称为“时间距离编码”。信号电平可以是高电平(=高压)或低电平(=低压,靠近GND)。极性变化之间的时间分为三个持续时间类别。短持续时间表示逻辑0B,长持续时间表示逻辑1B,非常长的持续时间表示aSTOP条件。
图3显示了两个后续BIF字的传输。字由STOP代码分隔,并且包含奇数个位。STOP信号仅在高电压电平下发送,而0B和1B与电压电平无关。
图3:BIF通信
BIF数据字。BIF定义了长度为17位的数据字,如图4所示。这要求BCL每个单词切换18次。每个17位数据字包含以下元素:
训练序列,BCF-> 2位
有效载荷,D [9:0]-> 10位
奇偶校验,P [3:0]-> 4位
反转-> 1位
数据字可以携带命令,设备或寄存器地址,读取数据或写入数据。训练序列位用于告知通信速度,还告诉该字是广播类型(适用于所有从站)还是单播/多播类型(适用于选定的从站)。
图4:BIF数据字
有效载荷是要传输的实际数据。使用10位可以使系统区分命令,设备地址,寄存器地址以及读或写数据。
BIF从属数据结构。BIF为每个从机提供了多达64 KB的可寻址寄存器和存储空间。某些规则确定如何构造此存储空间。此外,对于某些标准功能,必须进行寄存器布局。这允许构建通用软件驱动程序。但是,BIF还支持特定于供应商的功能,以实现市场上从设备的差异化。
BIF从属数据结构的示例如图5所示。内存位置可用于不同的存储类型,例如RAM,ROM或可重新编程的NVM。数据映射始终以MIPIAlliance定义的固定长度的10字节设备描述符块(DDB-L1)开头。DDB-L1包含通用设备标识信息,例如制造商ID和产品ID。DDB-L1的最后两个字节说明紧随DDB-L1之后的功能目录的总大小。
图5:从站数据结构
使用BIF充电:更改规则BIF
提供了用户NVM功能和标准化的数据对象存储机制,以清楚地将主机上运行的充电控制软件与电池组中存储的实际电池相关充电参数区分开(请参阅[6])。每个电池组可能带有其自己的最佳充电方式。甚至可以在电池的整个使用寿命中修改充电配方。
BIF为主机端充电控制提出了“基于规则的算法”,该规则指定要存储在电池组内部的与电池相关的充电规则。在主机端可能还存储有与系统相关的其他充电规则。一旦设计了移动设备,该算法就在主机上实现一次,并且无论以后是否为特定设备使用了合格的电池,都可以保持不变。
图6说明了如何执行基于规则的计费。在采集阶段,从电池组中读取充电规则集。在验证阶段,将检查所有规则在现行操作条件下是否有效(图6中以绿色标记有效规则,以红色标记无效规则)。在选举阶段,从有效规则中选择充电性能最佳的规则(图6中以蓝色圈起)。
图6:基于规则的计费
由于规则以优先顺序存储,因此这是列表中最有效的规则。最后,在应用阶段,将充电电路编程为存储在该规则中的充电电流或电压。用户NVM中存储的每个收费规则都包含表1中列出的参数。
表1:计费规则参数
模拟“哑”电池呢?
BIFi旨在支持传统的模拟电池和智能电池。传统设计和最简单的移动设备都需要支持低成本模拟电池。当前市场上的大多数低成本电池在电池组中都内置有下拉电阻。
下拉电阻的值通常代表电池组的某些容量和化学信息。对于此功能,BIF标准支持以定义的范围和精度测量下拉电阻值。
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资料来源:http://emb.hqyj.com/Column/20209275.html


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