采用高压电池的产品面世至今已将近200年时间，成为主流产品的时间也已超过了100年。早期的产品倾向于使用体积大且笨重的铅酸型电池以提供所需的电源，因此可开发的由电池供电的产品类型限定于固定式产品，如电池备份系统或者小型汽车、高尔夫球车等移动系统。得益于电池技术的进步，现在我们已经可以买到各种各样的电池供电的产品，它们大大丰富了我们的生活。这些产品的范围涵盖了从单芯电池供电的蜂窝式电话和MP3播放器，到内含几千个电池芯的电池供电的高性能跑车等不一而足。

　　在单芯电池供电产品和内含数千个电池芯的产品之间，那些需要多个电池芯串联或者并联的电池供电产品具有广阔的市场。这些产品包括目前广泛使用的笔记本电脑、无线电动工具、家用电器、移动医疗设备以及电动自行车，等等。

　　这些产品向如今的设计人员提出了一系列独特的挑战。对于最终用户而言，三个最重要的特性应该是便携性(重量轻)、高性能和低成本；而对于设计人员而言，最关心的往往是安全性、可靠性和产品使用寿命。他们必须满足并且权衡各种往往是相互冲突的要求。

　　例如，设计人员现在采用最新一代的锂电池技术以满足用户要求和环保法规。市场上可买到满足高功率系统以及高能耗系统要求的电池芯。这些锂离子电池都需要集成电池监控和保护电路，这些电路在之前采用镍镉(NiCAD)或者镍氢(NiMH)电池芯的电池中并不存在。

　　所要求的安全特性通常包括：电池过流监测以及短路监测；电池芯过压以及欠压监测；电池/电池芯温度监测。

　　另外，可以加入电量平衡和电池容量监测功能以进一步改善用户体验。诸如笔记本电脑和摄像机等电池供电产品，要求电池的功率相当稳定。更有趣的设备如电动工具和各种移动产品，对电池所必需提供的瞬时功率提出了更高的要求。由于这些设备可能提出极为苛刻的要求，它们的电池监测和保护电路也更为复杂，并且可提供典型笔记本电脑电池所不具有的更高级的保护功能。精心设计的多芯监测和保护电路，如基于Intersil的ISL9280系列产品的电路，可提供多级错误检测功能，并且提供清除这些错误的时间窗口。同时，这些电路还提供硬限制，当超过这些硬限制时就可断定发生了一个硬故障。

　　我们给出了一个简单的锂离子电池例子，它可用在无线电动工具或者机械真空吸尘器等小型家用电器中，如图1所示。该设计支持利用搭载两个MOSFET的单路径对充放电电流进行控制，同时具有过电流和出现短路时的电池电流监测、单芯电压监测、电池温度监测以及高达200mA平衡电流的快速电量平衡等功能。

　　在这个示例中，ISL9208以模拟前端(AFE)的方式运行，并且同一个外部微控制器协同工作。AFE实现电池芯电压的电平转换，并且在模拟输出端口(AO)上将真正的电池芯电压输出到微控制器上。微控制器利用这个信息监测每一个电池芯在充放电时的状态，此外还可将其用于电量平衡。在提供每个电池芯的模拟电压的同时，AFE还可将任何错误情况报告给微控制器。充放电FET可以由ISL9208直接控制，它们可提供自动保护机制，以最大限度降低微控制器在出现诸如过电流或者短路等严重错误状态时导致保护延迟的可能性。如果设计人员有某些更愿意采用的专有电池管理算法，那么就可以关断这项自动保护功能。在自动保护功能被关断时，ISL9208可以不间断地监测电流并且将错误情况报告给微控制器，微控制器随后将指引ISL9208关断MOSFET或者执行专有算法。

　　如图1所示，对于需要7个以上的电池芯串联的电池，可以很容易地采用Intersil的ISL9216和ISL9217芯片组实现集成单个微控制器和多个AFE的芯片组方案。

　　在一个精心设计的电池中，错误情况将用时间和幅值进行量化，以避免误关断现象。例如，Intersil的ISL9208系列产品可提供由用户根据自身应用设定的多个电压、电流和时间阈值。

　　它们包括：4个放电过流阈值、4个短路回路阈值、4个充电过流阈值、8个过流延迟时间(充电)、8个过流延迟时间(放电)、2个短路回路延迟时间(放电)。

　　这些阈值为设计人员在使用相同的电池保护电路处理不同类型设备的充放电曲线时提供了极大的灵活性。

　　电池内单个电池芯的过压和欠压情况也是很重要的监测指标。如果任何一个电池芯的电压超过了制造商所规定的上限，就必须关断充电功能以避免出现潜在的危险情况。类似的，如果任何一个电池芯的电压低于制造商规定的放电截止限值，就必须关断放电功能。在某些电池芯电压变得很低的情况下，出于安全考虑，可能需要采用不同的充电技术，电池也可能需要完全关断。由微控制器读出每个电池芯的电压，这样可对其进行数字滤波，以消除噪声并提高系统精度。

　　正如之前所提到的，一些电池可能具有在充放电周期时监测并控制电流的功能。在一个可在两个周期中同时监测电流的电池中，在出现充电过电流或者短路事件时，将延缓充电周期。利用一个独立的充电限值集，AFE将类似的指标提供给微控制器，ISL9208则随后利用自动保护功能关断充电MOSFET，或者通过将错误情况报告给微控制器，并让微控制器在执行完适当的错误处理固件后命令ISL9208关断MOSFET。

　出于安全考虑，必须监测电池和电池芯的温度。大多数电池芯制造商同时给出了电池芯在充放电周期中的温度上下限。包含众多电池芯的电池在充放电的过程中，电池中心区域到外部区域的电池芯之间可能具有很大的温差。电池设计人员必须考虑到这一点，并且在可以充分代表电池芯温度的位置上设置热敏电阻。

　　当安全成为电池设计中唯一的最重要因素时，精心设计的产品也采用了适当的步骤以帮助确保良好的用户体验。新一代的锂电池通常包含更多电池芯，并且在电池和系统中增加了保护和监测电路。相比于之前的镍镉电池，增加或者替换电池的成本将更高。这些新一代电池的用户不仅希望体验到性能的改善，同时也希望能够获得更长的工作时间以及更短的充电时间。一种改善用户体验的方法就是在电池中实现电量平衡。

　　电量平衡是一种将电池中所有电池芯维持在相同充电状态的技术。串联的电池芯数量越多，电量平衡技术在提高电池性能和延长电池使用寿命方面的优势就越大。由同一个制造商提供的大部分电池芯(尤其是同一批次的电池芯)在接受、保持以及释放电荷的能力上是相当匹配的。然而，电池芯之间的微小差异以及电池芯在充放电时的温差可能导致不平衡情况。这些不平衡情况可能大大地降低电池的可用性。

　　对于任何电池，一旦电池芯电压达到制造商所规定的充电终止电压，就必须停止充电过程。类似地，一旦电池芯电压达到制造商所规定的放电终止电压，也必须停止放电过程。根据单个电池芯电压是否达到终止点来终止充放电过程，将会导致电池不平衡。由于在电池中物理位置各不相同，或制造过程中电池芯的微小差异，某些电池芯的充放电速度可能超过其他电池芯。在一个平衡电池中，电荷从高电位的串联电池芯转移到低电位的串联电池芯上。并联电池则可实现自我平衡。这个过程可能在电池充放电时发生——尽管仅仅出于简化目的通常在充电周期中实现自我平衡。

　　图2显示了一个电池中的不平衡电池芯在多个充放电周期中的影响。当最初集成到一个电池中时，电池芯全部匹配良好，并且处在相同的充电状态，但在经过多个充放电周期后，它们逐渐变得不平衡。这将导致极大的电池容量损耗，还大大降低了电池的可用性。

　　过去对电量平衡技术的争论通常是基于采用电量平衡技术需要更长的充电时间或者设计过于复杂而无法以合理的成本实现。这一争论已不再成立。利用可处理高达200mA平衡电流的内部平衡FET，ISL9208系列器件可以快速轻松地以较低的成本实现电量平衡。

　　锂电池的用户热切期望这些新的产品能够具有更轻的重量，更高的性能以及其他的优点。通过采用以上所讨论的技术，设计人员能够以合理的成本设计出既可满足安全要求，又可提供良好用户体验的高功率锂电池。利用诸如ISL9208系列器件的集成AFE，设计人员能够以最少的外部元件以及相对较低的总体成本，设计出优秀的产品。