專利名稱：：含電池管理和保護的單芯片微控制器的制作方法含電池管理和保護的單芯片微控制器
技術領域：
一般地，本發明涉及一種微控制器，更具體地涉及一種包含電池管理和保護系統的單芯片微控制器。
背景技術：
：對諸如筆記本計算機、手機和數碼相機之類的便攜應用的需求日益增加。這些應用日益小型化、高級化并伴隨更激烈的價格競爭。沒有應用元件可以回避這些強烈的需求，必不可少的應用電源即電池當然不能例外。電池容量的發展正在滯后于應用的要求，并且電池內化學反應的控制要遵從嚴格的安全要求，這使得難以突破化學技術的限制。除應用外期望電池尺寸更小而價格更低，這使電池廠商的日子更加難過。高級電池，或智能電池，含有大量電子元件。這包括確保電池單元不損壞或不危及用戶的失效保護電路；解析電池狀況并根據電池負載估算剩余電量的監視功能和邏輯；以及與主程序的通信。現有的智能電池應用的實現要采用至少兩個集成電路用于電池管理的微控制器和確保電池保護與測量的模擬前端。此外，有些還需要剩余電量估算和其它監視參數必需的第三芯片，即含有專用于電池化學的數據的EEPR0M。這些解決方案成本高昂并占據板空間。還有，可再充電池的電流能力通常較低。對于需要高瞬時能量的應用，這個問題通過采用許多電池串聯得以克服。這產生較高的電壓，使得較低電流下具有較高能量。較高的電壓對于標準半導體而言是個問題，因為這些半導體通常可應對25伏之間的電壓。智能電池廠商通過使用獨立的驅動器電路解決該高壓輸入/輸出問題。這增加了系統的成本、重量和復雜性。因此，需要一種用于克服上述問題的系統和方法。本發明即致力于滿足這樣的需要。
發明內容公開了一種單芯片微控制器。所述單芯片微控制器包括處理器系統和與該處理器系統相連的高電壓接口，該高電壓接口適合與電池連接。所述單芯片微控制器還包括用于監視所述電池并基于電池監視管理電池的電池管理系統。所述微控制器是單芯片。除了擴展該智能電池應用的功能性之外，這種單芯片解決方案還節省了設計成本和PCB空間。憑借所述微控制器的精度，可以更精確地預測電池的電荷狀態從而有效增加實際電池容量。圖1是根據本發明的微控制器的具體實施方式的框圖。圖2是根據本發明的穩壓器的具體實施方式的框圖。圖3是根據本發明的FET控制系統的一種具體實施方式的框圖。圖3A是根據本發明的使用所述FET控制系統的一種工作電路的示意圖。圖4示出了根據本發明的電池平衡FET線路圖的一種具體實施方式。圖5示出了根據本發明的電壓ADC的一種具體實施方式。圖6是CC-ADC的具體實施方式的框圖。圖7示出了根據本發明的低功耗帶隙基準電壓源的具體實施方式。圖8示出了根據本發明的電池保護CPU接口的具體實施方式。具體實施方式一般地，本發明涉及一種微控制器，更具體地涉及一種包含電池管理和保護系統的單芯片微控制器。下面的描述用于使本領域的技術人員能制作和使用本發明，這些描述存在于專利申請和其要求書的文本中。對本文描述的優選實施方式的各種改進和一般原理及特征對本領域的技術人員而言是清楚明了的。因此，本發明不限于所示具體實施方式，而應被給予與本文描述的原理和特征一致的最寬的范圍。根據本發明的系統和方法提供了一種包含電池管理和保護的單芯片裝置。在單個裸片中，微控制器包括中央處理單元和能由多單元電池直接供電的穩壓器。所述微控制器還包括適于電池監測的模數轉換器、高電壓充電及放電FET驅動器、電池單元均衡功能和獨立的電池保護電路。除了擴展該智能電池應用的功能性之外，這種單芯片解決方案還節省了設計成本和PCB空間。憑借所述微控制器的精確性，可以更精確地預測電池的電荷狀態。對電池的電荷狀態了解越多，就可在達到電池單元自身開始損壞的水平之前更多地消耗該電池單元。從而增加電池的實際容量。所述微控制器具有高電壓輸入/輸出，非常有助于減少系統中的零件總數。所述微控制器還包括內置穩壓器。該穩壓器使所述微控制器可在預定的電壓范圍(即4伏25伏)內工作。所述模數轉換器輸入通道能測量高達25伏的電池單元電壓，從而剔除了外置高電壓模擬前端。該裝置還提供了多個能計算25V電平的內置FET驅動器，所以無需外置FET驅動器。所述微控制器的電池監視功能適用于智能電池。所述電池監視功能包括電壓模數轉換器，該轉換器在12伏直流電時的最低有效位(LSB)最大誤差為+-l，這提供了對整個電池單元的良好電壓測量。專用電量計量電流感測ADC可以高分辨率(如18位分辨率)和高精度地進行連續的電流監視。校準后誤差+-1%的片上基準電壓源使所述微控制器電池監視的高精度成為可能。例如，2004年3月4日遞交的并通過引用全部并入本文的題為"MethodandApparatusofTemperatureCompensationforanIntegratedCircuitChipUsingOn—ChipSensorandComputationMeans"的10/795,027號美國申請描述了這類校準的實例。電壓和電流測量使得可以非常精確地估算電池中的剩余電量，使應用系統可以從電池汲取更多的能量。眾所周知，如果電池的單元被耗盡至某一電壓電平之下，該電池單元可能受損。然而，如果能確切獲知該電平，就可以安全地使耗盡非常接近該電平而不會有電池單元受損的風險。如果可以確切獲知電池電荷狀態，就可能將前述安全限制進一步接近耗盡。測量裝置的精確度較低時，必須將安全頻帶插入估算以確保用戶可以安全地關閉。該安全頻帶表示所述估算確實可以信賴時可以利用的能量。根據本發明的微控制器提供了利用該能量所需的精度。現參考下面結合附圖的闡述，以更詳細地說明本發明的特征。以一種具體的微控制器為背景對本發明進行說明；然而，本領域的技術人員應認識到本發明的特征可在各種裝置中使用并且這種使用落在本發明的精神和范圍內。Atmel公司制造的SmartBatteryAVR(ATmega406)是一種包含本發明特征的裝置。2005年6月的"ATmega406PreliminaryCompleteDocument"對ATmega406作了描述，通過引用將其全部并入本文。圖1為根據本發明的微控制器100的具體實施方式的框圖。一具體實施方式中的微控制器100包括下述組件處理器、數據總線118、帶同時讀寫(read-while-write)功能的在系統可編程快閃存儲器、EEPR0M134、SRAM132、多個通用工作寄存器(未示出)、多條通用1/0線(未示出)、多條通用高電壓I/O線(未示出)、片上調試支持和編程用JTAG接口139、兩個帶脈寬調制和比較模式的活用計時器/計數器147和148、喚醒計時器136、適應系統管理總線(SM-bus)的雙線接口模塊142、內部和外部中斷、具有內置振蕩器的可編程監視計時器124、和四個軟件可選節電模式。微控制器100還包括振蕩電路/時鐘生成電路120、電源監管電路126、和充電器檢測電路128。所述數據總線118與端口138、140、144和142相連。微控制器100還包括穩壓器102、FET控制電路104、專用電池保護電路106、集成的電池單元均衡FET108、高電壓模擬前端、和帶有用于電池電量計量的片上基準電壓源112的兩個ADC110和114。在一個具體實施方式中，CPU116兼具豐富的指令集與所述多個通用工作寄存器。這些寄存器全部被直接連接到算術邏輯單元(ALU)(未示出)，使兩個獨立寄存器可在執行于一個時鐘周期內的單條指令中被訪問。所形成的架構具有更高的代碼效率，并實現比現有CISC微控制器快十倍的處理量。空閑模式停止CPU116的同時使其它芯片功能繼續起作用。掉電模式允許穩壓器102、電池保護電路106、監視計時器124和喚醒計時器136運行，而停用所有其它芯片功能直至下一次中斷或硬啟動。在省電模式中，喚醒計時器136、電池保護電路106和CC-ADC114繼續運行。片上快閃存儲器130允許可由現有的非易失存儲器編程器或由在CPU116上運行的片上引導程序對程序存儲器進行在系統再編程。引導程序能使用任意接口下載所述快閃存儲器中的應用程序。在更新應用程序快閃存儲器的扇區時，引導快閃130中的軟件將繼續運行，從而提供真正的同時讀寫操作。通過將CPU116和單一芯片上的快閃存儲器130、ADC110和114、專用電池保護電路106、電池單元均衡FET108和穩壓器102結合，微控制器100提供了一種高度靈活和節省成本的電池應用解決方案。穩壓器102在較寬電壓范圍下運行，例如4.025伏。該電壓被調節成恒定的標稱工作電壓，例如，通常為3.3伏，用于集成邏輯電路與模擬功能元件。電池保護電路106監視電池電壓和充電/放電電流以檢測非法狀況并在必要時保護該電池免受這些非法狀況。所述非法狀況指放電期間的深度欠電壓、放電期間的短路以及充電和放電期間的過電流。集成電池單元均衡FET108使得以軟件方式執行電池單元均衡算法。現參考下面結合附圖的闡述，以更詳細地說明微控制器100的特征。高電壓I/O為電池監視和管理裝置提供了若干高電壓輸入和輸出-輸入至穩壓器。該輸入向直接從該電池汲取的裝置供電，電壓范圍為425伏。-輸入至用于各電池單元電壓測量的電壓ADC。-檢測電池充電器存在的輸入。高電壓漏極開路輸出(OpenDrainOutput:PCO)。-輸出至充電、放電和預充電FET。該高電壓技術使得可以將快閃程序存儲器和邏輯電路以及精確的模擬電路集成在同一裸片上作為高電壓容限I/O。微控制器100可容限高電壓(25伏)，使其適合多單元電池。圖2為根據本發明的穩壓器102的具體實施方式的框圖。現代半導體通常在25伏范圍的電源下工作。因此，電壓高達25伏的電池不能直接向所述半導體供電。微控制器100由該電池通過內置穩壓器102供電。輸入到穩壓器102的電壓允許在在425伏內變化。該電壓被內部調節成適用于所述內置邏輯電路、低電壓1/0線和模擬電路的3.3v。為使閑置期間的功耗最小化，所述穩壓器可選擇地包含功耗控制模塊202。當微控制器100進入低功率模式時，穩壓器102將降低穩壓器自身的消耗，進而有助于降低功耗。設置lpF或更大的外置去耦電容206用于穩壓器102的工作。電池管理智能電池不僅監視電池參數，它還將根據這些參數管理該電池的環境。微控制器IOO提供電池充電算法、電池單元均衡以及與主程序的通信以管理和保護電池。FET控制系統104圖3是根據本發明的FET控制系統104的具體實施方式的框圖。圖3A是利用根據本發明的FED控制系統的工作電路的示意圖。參見圖l、圖3和圖3A，除了來自電池保護電路106的FET停用控制信號外，所述CPU也可通過寫入所述FET控制與狀態寄存器302停用充電FET(C-FET)352、放電FET(D-FET)354或停用上述兩者。請注意一定不能允許CPU116啟用由電池保護電路106停用的FET。來自8位計時器/計數器0的脈寬調制器(PMO輸出，即信號OCOB，可被設置成經由FET驅動器310、預充電FET(PC-FET)或兩者來直接驅動C-FET352。這可用于控制電池單元的充電。在寄存器中該P麗設置為2:0位。請注意，所述OCOB引腳無需被設置為輸出。這意味著所述PWM輸出可用于驅動C-FET352禾口/或PC-FET350而不占用OCOB引腳。如果C-FET352停用且D-FET354啟用，放電電流將流經C-FET352的體漏二極管，反之亦然。為避免由這種情況引起的潛在的發熱問題，軟件須確保當充電電流流動時D-FET354不被停用，且當放電電流流動時C-FET352不被停用。如果電池被深度放電，在與充電器相連時會產生大浪涌電流。對這種情況，建議通過限流電阻先對該電池進行預充電。為此目的，微控制器ioo設有預充電FET350(PC-FET)控制輸出。該輸出默認為啟用。如果微控制器100已進入斷電模式，所有的FET控制輸出將被停用。當與充電器連接時，CPU116會蘇醒。從斷電模式蘇醒時，C-FET352和D-FET354控制輸出將維持停用狀態而POFET350默認為啟用。當CPU116檢測到電池單元電壓已升高至足以允許正常充電時，它會啟用C-FET352和D-FET354控制輸出并停用PC-PEF350控制輸出。如果下文將作詳細說明的電流電池保護(CBP)已被激活，所述電流保護計時器將確保在軟件能重啟所述外置FET之前有1秒鐘的時延時間。電池單元均衡系統108圖4示出了根據本發明的電池單元均衡FET108線路圖的一個具體實施方式。微控制器100包含電池單元均衡FET402a402d。微控制器100為各電池單元提供一個電池單元均衡FET402a402d。FET402a402d由應用程序直接控制，使所述電池單元均衡算法可以軟件實現。在一具體實施方式中，FET402a402d與各個電池單元并聯連接。斷電模式中電池單元均衡FET402a402d被停用。通過電池單元均衡FET402a402d的典型電流(TeB)為2mA。電池單元均衡FET402a402d由電池單元均衡控制寄存器406控制。在本實施方式中，相鄰FET不能被同時啟用。如果試圖啟用兩個相鄰FET，它們兩個都將被停用。SMBusTM118在PC電池應用中，SMBus(SystemManagementBus:系統管理總線)是與PC通信的標準。微控制器100提供了與該SMBus標準兼容的雙線串行接口。-簡單但功能強大且靈活的通信接口，僅需兩條總線-同時支持主從操作-7位地址空間允許多達128個不同從屬地址—支持多主判優(Multi-masterarbitration)-4MHz時鐘運行，達到100kHz數據傳輸速度-壓擺率限制的輸出驅動器-噪聲抑制電路阻止總線線路上的尖峰信號-帶有通用調用支持的完全可編程從屬地址-當CPU處于睡眠模式時，地址識別引起喚醒利用CPU的自編程功能所述SMBus接口可用于更新程序代碼。電池參數如前所述，微控制器100包括存儲數據的EEPR0M134。它形成為獨立的數據空間，其中可讀寫單字節。該數據空間用于存儲對電池應用至關重要的關鍵數據。電壓測量電池中的單個電池單元電壓需要差動ADC測量。為將測得電池電壓的電平調節為ADC的電平，設置了內置增益。使用單端通道測量電池內不同位置上的其它參數，如調節電壓和溫度等。電壓ADC110圖5示出了根據本發明的電壓ADC110的一個具體實施方式。該實施方式的V-ADC110包括多個差動通道、用于接收差動通道的輸入多路復用器502、12位(T-5ADC504、與輸入多路器502及ADC504通信的V-ADC控制系統506。V-ADC控制和狀態寄存器508從數據總線U6接收數據并向數據總線116提供數據。V-ADC控制和狀態寄存器508還從V-ADC控制系統506接收數據并向V-ADC控制系統506提供數據。V-ADC110還包括從o-5ADC504接收數據并向數據總線116提供數據的V-ADC數據寄存器510。用于電池單元電壓測量的四個差動通道(PV1-NV、PV2-PV1、PV3-PV2、PV4-PV3)被縮放以符合所述V-ADC的全量程。此外，還有六個以地面信號為基準的單端通道。一個通道用于測量內置裸片溫度傳感器(VTEMP)，四個通道(ADC3ADC0)測量用于電池單元溫度監視的端口A的引腳，一個通道(ADC4)測量內置調節電壓VREG。ADC-4輸入也被縮放以符合V-ADC的全量程。為精確測量電池電壓，在所述模擬電路前端為各電池單元電壓增益設置了校準寄存器。出廠校準值存儲在該寄存器中，并用相應的校準值對電池單元電壓的V-ADC轉換進行縮放以修正所述模擬前端中的增益錯誤。該校準通常用過軟件進行。計數電子器件PC電池經常處于過度使用；它經常被耗盡然后以若干負荷水平下再充電。希望智能電池可在任意給定時間報告在其被耗盡前還能維持電流負載多長時間。為向終端用戶提供此項服務，所述電池需確切獲知該電池放出了多少能量從而從該電池的充滿容量中扣除該數量。一旦確定電池剩余容量，剩余電荷算法就能估算基于現有負載的剩余時間。充電曲線上不同電壓點的校準不夠精確；智能電池還需主動記錄并計數該電池的充電電流和放電電流。如前所述，微控制器100還包括為庫侖計數作了優化的專用庫侖計數模/數轉換器(CC-ADC)114以對流經所述外置感測電阻的充電或放電電流進行采樣。在己轉讓給本申請受讓人的題為"CurrentSensingAnalogtoDigitalConverterandMethodofUse"的待決美國專利申請11/043,669[3446P]中描述了這鐘ADC。圖6為CC-ADC114的具體實施方式的框圖。CC-ADC114包括調制器602、抽取濾波器604和606、電流比較器608、正常電流IRQ電平610、控制和狀態寄存器612以及8位數據總線118。(j-S調制器602向抽取濾波器604提供數據。抽取濾波器604向抽取濾波器606、電流比較器608和8位數據總線118提供數據。正常電流IRQ電平610從8位數據總線118接收數據并向8位數據總線118和電流比較器608提供數據。控制和狀態寄存器612從8位數據總線118接收數據，并向抽取濾波器604和606提供數據。抽取濾波器606從控制與狀態寄存器612及抽取濾波器604接收數據，并向8位數據總線118提供數據。有兩個不同的輸出值瞬時電流和累計電流。瞬時電流輸出的轉換時間短，其代價是分辨率較低。累計電流輸出為庫侖計數提供高度精確的電流測量。累計電流輸出是具有可編程轉換時間的高分辨率、高精度輸出。轉換值為一個轉換周期內平均電流的精確測量值。如果中斷被啟用，每完成一次新的累計電流轉換，CC-ADC114就生成一個中斷。當CC-ADC在轉換時，CPU116可進入睡眠模式并等待來自所述累計電流轉換的中斷。在加入用于庫侖計數的新的累計電流值后，CPU116可再回到睡眠模式。這降低了所述CPU的工作載荷，并使更多的時間處于低功耗模式，降低電耗。如果瞬時電流轉換的結果大于可編程門限，CC-ADC會生成中斷。這使得對正常電流狀況作檢測。這允許超低功耗運行，這時CC-ADC114可被設置成進入具有可編程電流采樣間隔的正常電流檢測模式。在其在用戶軟件指定的時間間隔被關閉之前，CC-ADC114將反復進行瞬時電流轉換。這允許在保持CC-ADC大多數時間關閉的同時進行所述正常電流檢測。內置基準電壓源112圖7示出了根據本發明的低功耗帶隙基準電壓源112的具體實施方式。低功耗帶隙基準電壓源112為所述微控制器提供了精確的1.100V的片上基準電壓(V,)。該V艦被用作片上穩壓器102、V-ADC110和CC-ADC114(圖l)的基準。在優選實施方式中，兩個ADC110和114的基準使用帶有外置去耦電容706的緩沖器704，使得以最低功耗實現卓越的噪聲性能。CC-ADC114的基準電壓VREF—P/VREF—N被縮放以與電流感測輸入引腳的全量程相匹配。這樣的設置還使得V-ADC110和CC-ADC兩者可以同時工作。為使出廠校準后的溫漂較低，微控制器100包括兩步校準算法。例如，在前述10/795，027號美國申請中描述了這種算法。第一預設溫度如85。C，第二步在第二預設溫度(如室溫)時進行。出廠校準默認為85t，且該結果存儲在所述快閃存儲器中。第二校準步驟可由用戶作為測試流程中的指令進行。該步驟要求精確的輸入電壓和穩定的室溫。亦可在運行時更改該校準寄存器以在軟件中進行溫度補償。所述溫度范圍內的任意溫度均可達到精確。還有，在另一具體實施方式中微控制器100包括監視所述裸片溫度的片上溫度傳感器(未示出)。與絕對溫度成比例的電壓，VPART，在基準電壓源電路中生成并在V-ADC輸入端連接至該多路復用器。該溫度傳感器可用于對所述基準電壓源和片上振蕩器120中的溫漂作運行時補償。電池保護CPU接口圖8示出了根據本發明的電池保護CPU接口的具體實施方式。該電池保護CPU接口包括電流電池保護電路(CBPC)804和電壓電池保護電路(VBPC)802及多個電池保護參數可鎖寄存器806、808、810、812和814。所述接口與FET控制系統104和8位數據總線118連接。各種保護具有中斷標志。CPU116可閱讀和清除各標志，且各標志具有各自的中斷啟用。所有啟用的標志與對CPU116的單一電池保護中斷請求結合。該中斷能從除了斷電模式以外的任意工作模式中將CPU116喚醒。將邏輯"l"從CPU116寫入中斷標志的位位置(bitlocations)可清除所述中斷標志。既沒有標志也沒有狀態位(statusbits)表明微控制器100已進入斷電模式。這是因為在這個模式CPU116是掉電的。然而，在CPU116重新運行時，通過監視它的重啟標志，CPU116可以檢測到它剛經歷斷電狀態。所述過電流和短路保護參數可再編程以適應不同類型的電池。通過寫入I/O寄存器設置所述參數。在初始設置后可鎖定所述參數寄存器，以防止任何進一步更新，直至下次硬啟動。安全參數儲存在優選實施方式中，可以鎖定設置在所述電池保護參數寄存器中的電池保護參數和設置在所述電池保護停用寄存器中的停用功能，以阻止進一步的軟件更新。一旦鎖定，下次硬啟動前這些寄存器不能被訪問。這提供了保護這些寄存器免受軟件失控所致的意外修改的安全模式。推薦在重啟后立即由軟件設置這些寄存器，然后保護這些寄存器免受進一步更新。電流電池保護電路(CBPC)804監視所述充電和放電電流，如果檢測到過電流或短路的情況就停用C-FET、PC-FET和D-FET。有三個不同的可編程檢測電平放電過電流檢測電平、充電過電流檢測電平和短路檢測電平。PI/NI輸入引腳的外置濾波器會引起短路檢測的時延過大。因此，使用獨立的PPI/畫I輸入端用于電流電池保護。有兩個不同的用于激活電流電池保護的可編程時延短路反應時間和過電流反應時間。電流電池保護被激活后，應用軟件必須重啟所述FET。在一個具體實施方式中，電池保護電路106設置了軟件能重啟所述放電FET之前的滯后時間，譬如1秒鐘。這為萬一該應用軟件意外地過早重啟所述放電FET的情況提供了安全保障。保護激活還向CPU116發出中斷。該電池保護中斷可由CPU116個別啟用或停用。該具體實施方式中各種電池保護類型的效果列于表1。表1電池保護類型的效果<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>為降低電耗，在所述D-FET停用時短路和放電過電流保護都被自動解除。在C-FET和PC-FET都被停用時充電過電流保護也被停用。但是請注意，當C-FET或PC-FET受控于P麗時，從不自動停用充電過電流保護。下文對上述類型的各電池保護和它們的特征作詳細說明。深度欠電壓保護深度欠電壓保護確保電池單元放電不會低于可編程深度欠電壓檢測電平。如果所述VFET引腳的電壓低于該電平的時間超過可編程時延時間，所述FET被自動切斷且所述微控制器進入斷電模式。在所述微控制器進入斷電模式前250ms設置電池保護中斷寄存器中的深度欠電壓早期報警中斷標志(DUVIF)。這給了CPU116在電源切斷前采取必要措施的機會。微控制器100將維持斷電模式直至與充電器連接。當檢測到充電器時，常規加電順序被啟動，微控制器100初始化至默認狀態。所述深度欠電壓時延時間和深度欠電壓檢測電平設置在電池保護深度欠電壓寄存器(BPDUV)中，該寄存器是電池保護電平寄存器的一部分。在初始配置后所述參數寄存器可被鎖定至下次硬啟動，以防止進一步更新。放電過電流保護電流電池保護電路通過PPI/NNI輸入引腳的電壓進行采樣監視電池電流。差動運算放大器以合適的增益放大該電壓。該運算放大器的輸出通過模擬比較器與精確的、可編程片上電壓基準作比較。如果分流電阻電壓在所述放電過電流檢測電平之上的時間超過過電流保護反應時間，微控制器IOO激活放電過電流保護。由內置ULP(超低功耗)振蕩器鎖定的被采樣系統用于過電流和短路保護。這確保可靠的時鐘源、偏移消除、和低耗電。當放電過電流保護被激活時，外置D-FET、PC-FET、和OFET被停用而電流保護計時器啟動。該計時器確保上述FET被停用一預定的時間周期(即l秒鐘)。在認為安全時，應用軟件必須接著設置FET控制與狀態寄存器中的DFE和CFE位以重新啟用正常運行。如果D-FET被重啟而電池的負載仍然過大，放電過電流保護將被再次激活。充電過電流保護如果PPI/麗I引腳的電壓在充電過電流檢測電平之上的時間超過過電流保護反應時間，微控制器IOO激活充電過電流保護。在充電過電流保護被激活時，外置D-FET、PC-FET、和C-FET被停用而電流保護計時器被啟動。該計時器確保上述FET至少被停用l秒鐘。在認為安全時，設置FET控制與狀態寄存器302(圖3)中的DFE和CFE位以重啟正常運行。如果C-FET被重啟而充電器提供的電流繼續過高，充電過電流保護將被再次激活。短路保護設置高電流檢測的第二電平以加快對極大放電電流的反應時間。如果放電電流大于短路檢測電平的時間超過短路反應時間，短路保護被激活。當短路保護被激活時，D-FET、PC-FET和C-FET被停用而電流保護計時器被啟用。該計時器確保上述D-FET、PC-FET和C-FET至少被停用一秒鐘。在認為安全時，應用軟件必須接著設置FET控制與狀態寄存器中的DFE和CFE位以重新啟用正常運行。如果D-FET在短路狀況被消除前被重啟，短路保護將被再次激活。電耗為避免在長期儲存時損壞電池，電池自身消耗的電量盡可能少是很重要的。通過剔除外置元件和將所有功能性集成于一個單芯片封裝，單芯片實現有助于降低系統電耗。此外，微控制器100提供了各種稱為睡眠模式的低功耗模式。睡眠模式使應用程序可以關閉微控制器100中未使用模塊，從而可以節電。微控制器100提供了四種睡眠模式，允許用戶根據應用程序的要求定制電耗1.空閑模式，該模式中CPU116被停止但所有外設功能元件繼續運行。2.ADC降噪模式，該模式在省電的同時改善ADC的噪聲環境。如果V-ADC110(圖l)被啟用，一旦進入這個模式就自動開始轉換。3.省電模式，該模式中快速RC振蕩器被停用。僅有電池保護電路106和低速振蕩器還有測量電流CC-ADC114(圖l)保持運行。4.掉電模式，該模式中快速RC和低速RC時鐘被停止。電池保護、監視計時器124(圖l)或外部中斷、或SMBus地址匹配能喚醒該裝置。5.斷電模式使穩壓器102(圖1)可以切斷向CPU116供電，僅留穩壓器102和充電檢測電路128繼續運行。在此模式中微控制器100確保即使電壓過低電池單元也不受損。表2示出了微控制器100的一個具體實施方式的重要的電耗數據。根據本發明的系統和方法提供了一種含電池管理和保護的微控制器。該微控制器提供了一種含電池保護和管理的單芯片裝置。除了擴展該智能電池應用的功能性之外，這種單芯片解決方案還節省了設計成本和PCB空間。憑借所述微控制器的精度，可以更精確地預測電池的電荷狀態從而有效增加實際電池容量。雖然已根據所示具體實施方式說明了本發明，本領域的技術人員很容易認識到可以對這些具體實施方式作改動且這些改動在本發明的精神和范圍內。因此，本領域的技術人員可進行許多改動而不脫離所附權利要求的精神和范圍。權利要求1.一種微控制器，包括處理器系統；高電壓接口，其連接至所述處理器系統并適合與電池連接；和電池管理系統，用于監視所述電池并基于所述對電池的監視管理所述電池，其中，所述微控制器為單芯片。2.如權利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括電池保護電路，用于防止所述電池上的非法狀況并且在需要時保護所述電池免遭這些狀況。3.如權利要求2所述的微控制器，其特征在于，所述非法狀況包括放電期間的深度欠電壓、放電期間的短路、以及充電或放電期間的過電流中的一個、或它們的任意組合。4.如權利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述處理器系統包括中央處理單元(CPU)和與所述CPU通信的數據總線。5.如權利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括適合經所述高電壓接口與所述電池連接的穩壓器，所述穩壓器將供給所述微控制器的電壓調節至預設電平。6.如權利要求5所述的微控制器，其特征在于，向所述穩壓器的輸入可在基本4伏至基本25伏直流電之間變化，且所述穩壓器向所述微控制器提供基本為3.3伏的內部輸入。7.如權利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括第一模數轉換器(ADC)，用于提供瞬時電流和累計電流。8.如權利要求7所述的微控制器，其特征在于，當所述瞬時電流大于可編程門限電流時所述第一ADC生成對所述微控制器的中斷以允許低功耗運行。9.如權利要求7所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括第二模數轉換器(ADC)，用于所述電池單元的電壓測量，其中，所述第一和第二ADC被用于連續監視所述電池的電壓和電流。10.如權利要求9所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括連接至所述第一和第二ADC的片上基準電壓源，為所述第一和第二ADC提供精確的基準電壓。11.如權利要求l所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括FET控制系統，用于所述電池的充電和放電。12.如權利要求4所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括連接到所述電池單元并連接到所述數據總線的多個電池單元均衡FET，其中每個電池單元有一個電池單元均衡FET。13.如權利要求4所述的微控制器，其特征在于，所述電池保護電路包括電流電池保護電路，所述電流電池保護電路通過監視來自所述電池的充電和放電電流以防止過電流狀況或短路狀況。14.如權利要求4所述的微控制器，其特征在于，所述電池保護電路包括針對深度欠電壓的電池保護電路以確保所述電池單元不會被放電至低于預設電平。15.—種微控制器，包括處理器系統；高電壓接口，其連接至所述處理器系統并適合與電池連接；和電池管理系統，用于監視所述電池并基于所述對電池的監視管理所述電池，其中，所述電池管理系統包括電池保護電路，用于防止所述電池上的非法狀況并在需要時保護所述電池免遭這些狀況；第一模數轉換器(ADC)，用于提供瞬時電流和累計電流，其中當所述瞬時電流大于可編程門限電流時所述第一ADC生成對所述微控制器的中斷以允許低功耗運行；第二模數轉換器(ADC)，用于所述電池單元的電壓測量，其中所述第一和第二ADC被用于連續監視所述電池的電壓和電流；以及連接至所述第一和第二ADC的片上基準電壓源，用于為所述第一和第二ADC提供精確的基準電壓，其中，所述微控制器為單芯片。16.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述非法狀況包括所述非法狀況包括放電期間的深度欠電壓、放電期間的短路、以及充電或放電期間的過電流中的一個、或它們的任意組合。17.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述處理器系統包括中央處理單元(CPU)和與所述CPU通信的數據總線。18.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括適合經所述高電壓接口與所述電池連接的穩壓器，用于將供給所述微控制器的電壓調節至預設電平。19.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，向所述穩壓器的輸入可在基本上4伏至基本上25伏直流電之間變化，且所述穩壓器在內部向所述微控制器提供基本上為3.3伏的輸入。20.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述電池管理系統包括連接所述第一和第二ADC的片上基準電壓源，用于為所述第一和第二ADC提供精確的基準電壓。21.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述電池保護電路包括電流電池保護電路，該電流電池保護電路通過監視來自所述電池的充電和放電電流以防止過電流狀況或短路狀況。22.如權利要求15所述的微控制器，其特征在于，所述電池保護電路包括針對深度欠電壓的電池保護電路以確保所述電池單元不會被放電至低于預設電平。全文摘要公開了一種單芯片微控制器。所述單芯片微控制器包括處理器系統和與該處理器系統相連的高電壓接口，該高電壓接口適合與電池連接。所述單芯片微控制器還包括用于監視所述電池并基于電池監視管理電池的電池管理系統。所述微控制器是單芯片。除了擴展該智能電池應用的功能性之外，這種單芯片解決方案還節省了設計成本和PCB空間。憑借所述微控制器的精度，可以更精確地預測電池的電荷狀態從而有效增加實際電池容量。文檔編號H02J7/00GK101233663SQ200680002538公開日2008年7月30日申請日期2006年1月19日優先權日2005年1月19日發明者朗納·索拉森,貢納·甘思托,阿恩·阿斯申請人:愛特梅爾公司