新器件新技术 飞思卡尔电池管理芯片ＭＭ９Ｚ１—６３８的应用设计 姚志军 （飞思卡尔半导体（中国），天津３００３８５） 摘要：随着中国市场对电池需求的迅速提高，越来越多的公司加入到电池管理的开发、设计中来。飞思卡尔半导体推出 多路电池管理芯片ＭＭ９Ｚ１—６３８。本文主要介绍飞思卡尔新型电池管理芯片ＭＭ９Ｚ１６３８在锂电池管理以及被动均衡 方面的应用。以４块锂电池的监控为模型，详细说明了基于ＭＭ９Ｚ１—６３８的系统设计、各个模块的应用，以及元件参数 的选择。 关键词：电池管理；锂电池；ＭＭ９Ｚ１—６３８ 中图分类号：ＴＮ４Ｏ７ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｈｉｐ ＭＭ９Ｚ １６３８ ——Ｙａｏ Ｚｈｉｊｕｎ （Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｈｉｎａ，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｎｅｅｄｓ ｆｏｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｍａｒｋｅｔ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ ｊｏｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｈｉｐ ＭＭ９Ｚ１６３８ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ．Ｔｈｉｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｈｉｐ ＭＭｇＺ１６３８，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｍｅｎｔ ａｎｄ ｐａｓｓｉｖｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｏｆ ｆｏｕｒ ｐｉｅｃｅｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｓ ａ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｎ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＭ９Ｚ１６３８，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｈｏｉｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；Ｌｉ ｂａｔｔｅｒｙ；ＭＭ９Ｚ１６３８ ◆采用内部电阻分频器提供４块电池电压测量，采用 引 言 随着中国市场对电池需求的迅速增大，越来越多的公 外部电阻分频器提供最多５个直流电压测量。 ◆电压通道和电流通道间的测量同步。 司加入到电池管理的开发、设计中来。飞思卡尔半导体适 时推出多路电池管理芯片ＭＭ９Ｚ１—６３８。本文着重介绍 ＭＭ９Ｚ１—◆５个外部温度传感器输入，同时为外部温度传感器 供电。 ６３８电池管理系统的搭建、各个模块的功能，以 ◆低功耗模式，采用低电流工作。 ◆多唤醒源：ＬＩＮ、计时器、高压输入、外部ＣＡＮ接 口、电流阈值和集成。 ◆提供高精度内部振荡器，并提供与外部晶体的连接。 ◆支持ＬＩＮ ２．２／２．１／２．０协议和物理接口。 及所用元件的选型，希望帮助读者掌握基于ＭＭ９Ｚ１—６３８ 的电池管理系统原理，并快速实现电池管理系统的设计。 １ ＭＭ９Ｚ１ ６３８特性 ＭＭ９Ｚ１６３８是一个全面集成的电池监控器件。该 ◆提供ＭＳＣＡＮ协议控制器，能够为８引脚和１４引 脚ＣＡＮ接口供电。 ◆￥１２Ｚ ＭＣＵ，带有１２８ ＫＢ闪存、８ ＫＢ ＲＡＭ、４ ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ 器件可通过一个外部分流电阻进行精确电流测量，可通过 使用内部校准电阻分频器或外部分频器提供４路电压测 量，其包括一个内部温度传感器，可贴紧电池并测量电池 温度，外加４个外部温度传感器输入。 ＭＭ９Ｚ１６３８包括ＬＩＮ ２．２协议和物理接口以及一个 ２ ＭＭ９ ｚ１—６３８组成的电池监控系统 ＭＳＣＡＮ协议控制器，可通过外接一个ＣＡＮ接口芯片与 汽车总线连接。ＭＭ９ Ｚ１—６３８特性如下： ◆宽电池电流测量，可实现片上温度测量。 单片ＭＭ９Ｚ１—６３８最多可实现对４块锂电池的监控， 组成的电池监控系统如图１所示。其中，Ｖｓｕｐ的正常工 作电压为３．５～２８ Ｖ。Ｖｂａｔｌ一２．２ Ｆ，Ｖｂａｔ２—１００ ｎＦ。 ５ ２ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １５年第２期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｒｎ．ｃｎ 新器件新技术 ＶＤＤＡ ＵＳ 图３ 电池电流测量 图４ 电池温度测量 ２．４电池被动均衡 当某一块电池的电压比其他电池的电压高时，需 要通过放电来降低这块电池的电压，实现被动均衡。 每块电池通过一个开关与放电电阻相连，实现对电池 放电。开关可以采用飞思卡尔的多路开关芯片 图１ ＭＭ９Ｚ１—６３８电池监控系统 ＭＣ３３８７９，ＭＭ９Ｚ１９１２通过ＳＰＩ实现对ＭＣ３３８７９的 控制，电路如图５所示。 ２．１ 电池电压的测量 通过ＶＳＥＮＳＥ０～３来测量４块电池的电压，如图２ 所示。 名 称 Ｃｖｄｄａ Ｒｔｅｍｐ ＮＴＣ 表２元件参数表 描述 参考值 ４７“Ｆ １００ｋ：ｎ Ｖｄｄａ ｄｅｅｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｅ ｓｅｒｉａｌ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ＮＣＰｌ８ＸＨ１０３ＦＯ３ＲＢ １０ ｋＯｈｍｓ Ｉ 其中，电池＃１的电压应为ＶＳＥＮＳＥ０一（ＶＳＥＮＳＥＬ ＶＳＥＮＳＥＨ），其他电池的电压是两个ＶＳＥＮＳＥ的差。 各通道电压测量范围如表１所列。 Ｒｐ ４０℃ｔｏ＋１２５℃ １ｏｋ Ｑ ＰＴＢｘ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ２．２ｋｎ 表１各通道电压范围 ＶＳＥＮＳＥＡ Ｒｐ５ ＰＴＢ５ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ １．Ｏｋｎ 电压通道 ＶＳＥＮＳＥＯ ＶＳＥＮＳＥ１ ＶＳＥＮＳＥ２ 正常工作范围／Ｖ ｏ～１ｏ ｏ～１６ ｏ～２８ ｏ～５２ 广 ＶＳＵＰ 图２电池电压测量 ＶＳＥＮＳＥ３ ２．２ 电池电流的测量 如图３所示，在电池的负端串接一个Ｒｓｈｕｎｔ电阻（分 流电阻），通过测量Ｒｓｈｕｎｔ两端的电压，计算出电池的电 流。Ｒｓｈｕｎｔ可以采用５０～２００ Ｑ。ＩＳＥＮＳＥＨ／Ｌ的正常 测量范围为一０．３～Ｏ．３ Ｖ。 ２．３电池温度的测量 通过ＮＴＣ来测量每一块电池的温度，把ＮＴＣ贴在电 池的表面，每一路温度测量电路如图４所示，温度的正常 测量范围（ＰＴＢ０～３）为Ｏ～１ Ｖ。 ＭＣ３３８７９ 图５ Ｍ０３３８７９控制电路 在测量温度时，设置寄存器使ＰＴＢ５接地。在温度变 化时，ＮＴＣ的电阻会改变，通过测量ＰＴＢｘ的电压来检测 电池的温度。其中，ｘ为Ｏ～３，元件的参数如表２所列。 图中，Ｃｖｐｗｒ：Ｃｖｄｄ一１００ ｎＦ，Ｒ可选用１Ｏ～２０ Ｑ， ＶＤＤＸ为ＭＭ９Ｚ１—９１２的５ Ｖ输出，ＶＳＵＰ为电池组正 端，ＰＡ０～ＰＡ３为ＭＭ９Ｚ１—９１２的复用ＳＰＩ接口。 敬请登录网站在线投稿 ２０１５＃－ｇ ２期 《平 机 嵌入式每＇毛应冈》 ５３ ＭＣ３３８７９的每一路开关既可以接在电池正端，又可以接 在电池负端来使用。 ２．５ ＭＭ９Ｚ１６３８的ＣＡＮ总线接口 ＳＰＩＣＲ１ＳＳＯＥ一１；／／与ＳＰＩＣＲ２的ＭＯＤＦＥＮ位配合， ／／使能ＳＰＩ的ＣＳ信号 ＳＰＩＣＲ１ＣＰＨＡ一１；／／与ＣＰＯＬ配合，实现ＳＰＩ在ＳＣＬＫ ／／的下降沿采数据，上升沿发数据 ＭＭ９Ｚ１６３８支持ＣＡＮ和ＬＩＮ接口，ＬＩＮ接口可以 ＳＰＩＣＲ１直接接ＬＩＮ总线，ｃＡＮ的接口是ＭＳＣＡＮ，所以需要外接 一ＣＰＯＬ一０；／／与ＣＰＨＡ配合，实现ＳＰＩ在ＳＣＬＫ ／／的下降沿采数据，上升沿发数据 个ＣＡＮ接口芯片才可以接到ＣＡＮ总线上。可以选用 ＳＰＩＣＲ１ ＭＳＴＲ一１；／／ＳＰＩ采用主模式 ＳＰＩＣＲ１飞思卡尔的ＭＣ３３９０１或ＭＣ３４９０１作为ＣＡＮ接口芯片， 接口电路如图６所示。 ＰＡ６ ＳＰＴＩＥ一０；／／ＳＰＩ发送中断禁止 ＳＰＩＥ一０；／／ＳＰＩ接收中断禁止 ＳＰＩＣＲ１ＳＰＩＣＲ２ ＸＦＲＷ一１；／／１６位ＳＰＩ格式 ＳＰＩＣＲ２ ＭＯＤＦＥＮ一１；／／与ＳＰＩＣＲ１的Ｓｓ０Ｅ位配合， ／／使能ＳＰＩ的ＣＳ信号 ＳＰＩＣＲ２ ＢＩＤＩＲＯＥ一０；／／与ＳＰＩＣＲ２的ＳＰＣ０位配合使 ／／用，禁止接收／发送的缓冲 ＳＰＩＣＲ２ＳＰＩＳＷＡＩ一１；／／在芯片等待模式下，停止ＳＣＬＫ ｆ ｆ发送 ＳＰＩＣＲ２ＳＰＣ０—０； ／／设置发送／接收单向模式 图６接口电路 ＳＰＩＢＲ—Ｏｘ０２；／／在ＭＭ９Ｚ１—６３８总线频率为３２ ＭＨｚ ／／的条件下，设置ＳＰＩ的ＳＣＬＫ为４ ＭＨｚ ＳＰＩＣＲ１图中，ＶＤＤＸ为从ＭＭ９Ｚ１—６３８输出的５ Ｖ电源， ＰＡ４／ＰＡ５为ＭＭ９Ｚ１—６３８的ＭＳＣＡＮ输入／输出引脚， ＰＡ６为ＭＭ９Ｚ１—６３８的Ｉ／Ｏ接口。ＭＭ９Ｚ１—６３８可以通过 ＳＰＥ一１；／／使能ＳＰＩ模块 １６位ＳＰＩ发送函数： ｖｏｉｄ ＳＰＩｓｅｎｄＰＡ６设置ＭＭ３３９０１／ＭＭ３４９０１工作在正常或待机模式， ＣＡＶＩ 端接的是１２Ｏ Ｑ的端接电阻，主要是用来匹配的 （匹配电阻）。 １６（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｄａｔａ）（ ｗｈｉｌｅ（１ ＳＰＩＳＲＳＰＴＥＦ）；／／判断ＳＰＩ状态寄存器ＳＰＩＳＲ ／／的ＳＰＴＥＦ位，等待发送寄存器为空 ＳＰＩＤＲ—ｄａｔａ； ／／数据送给ＳＰＩ数据寄存器ＳＰＩＤＲ ３ 电池监控的例程 ３．１ ＭＭ９ｚ１—｝ ６３８的ＳＰＩ初始化 ３．２电池被动均衡函数 通过控制开关芯片ＭＣ３３８７９接合或断开放电电阻， 实现每块电池的被动均衡。ＭＭ９Ｚ１—６３８通过ＳＰＩ来控制 ＭＣ３３８７９的每一路开关。可以看出，要控制开关１～４，只 １ ０ ＭＭ９Ｚ１６３８通过１６位ＳＰＩ来控制开关芯片 ＭＣ３３８７９，相关的ＳＰＩ配置寄存器格式如下。 ＳＰＩＣＲ１： ７ Ｒ ６ ５ ４ ３ ２ 需要对Ｂｉｔ０～３进行置位（“１”，开关闭合）、复位（“０”，开 关打开）的操作。 ＃１电池的放电函数： ｖｏｉｄ ＢＡＬＣＥＬＬ１ＯＮ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ）｛ ＳＰＩＥ Ｗ ＳＰＥ ＳＰＴＩＥ ＭＳＴＲ ＣＰ０Ｌ ＣＰＨＡ ＳＳ０Ｅ ＬＳＢＦＥ ＳＰＩＣＲ２： ７ Ｒ ６ ５ ４ ３ ２ １ ０ ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ一（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ Ｌ ０ｘＦＦＦ０）１ ０ｘ０００１； ＳＰＩｓｅｎｄ１６（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ）； —一ｗ Ｗ …刚 啪㈣ｚ ｓｗ ＳＰＣ０ ｌ ｌ Ｊ ｝ ＃２电池的放电函数： ＳＰＩＢＲ： ７ ６ ５ ４ ３ ２ １ ０ ｖｏｉｄ ＢＡＬＣＥＬＬ２０ｔＮ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ） ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ一（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ＆ＯｘＦＦＦＯ） ０ｘＯ００２； Ｒ —Ｗ ｌＳＰＰＲ１ Ｒ。Ｌ ｌ ＳＰＲ１ ＳＰＲ０ ＳＰＩｓｅｎｄ１ ６（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ）； ｝ ＃３电池的放电函数： ＳＰＩ的初始化函数如下： ｖｏｉｄ ＳＰＩＭＣ３３８７９ｖｏｉｄ １３，ＡＬＣＥＬＬ３ＯＮ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ） —ｉｎｉｔ（）｛ ＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ一（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ＆０ｘＦＦＦ０） ０ｘＯ００４； —ＳＰＩＣＲ１ＬＳＢＦＥ一０；／／高位在前 ＳＰＩｓｅｎｄ１ ６（＊ＳＰＩｍｅｓｓａｇｅ）； ５ ４ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １５年第２期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ
