在超低功耗系統(tǒng)中實現(xiàn)更高精度的電池電量計性能

無論是設(shè)計超低功耗便攜式手持設(shè)備還是遠(yuǎn)程無線電池供電傳感器節(jié)點，準(zhǔn)確測量、預(yù)測和報告電池充電狀態(tài)、電池健康狀況和剩余設(shè)備運(yùn)行時間的需求在眾多應(yīng)用中變得越來越重要。

例如，許多物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用程序需要部署由互連的超低電池供電設(shè)備組成的可靠網(wǎng)絡(luò)。更具體地說，部署在工廠內(nèi)外的工業(yè)現(xiàn)場儀器和數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)使用遠(yuǎn)程監(jiān)視器來感知各種環(huán)境和操作條件下的信息并將信息報告給主機(jī)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程儀器電池的準(zhǔn)確充電狀態(tài)和健康狀態(tài)監(jiān)測對于實現(xiàn)和維護(hù)可靠的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在將現(xiàn)實世界里的“模擬”事件轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)的行動和反應(yīng)，連在網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能夠監(jiān)測模擬事件，并且在需要報告的事件發(fā)生時，將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化后通過互聯(lián)網(wǎng)報告給應(yīng)用程序，以完成相應(yīng)的任務(wù)。其中最突出的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類別是使用電池供電的傳感器，它們被放置在沒有電線的區(qū)域來監(jiān)測事件，并通過無線網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信。大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)品是始終開啟的、由電池操作的無線傳感器，支持無線協(xié)議、一個MCU 和至少一個模擬傳感器。

面臨的挑戰(zhàn)是在單一電池或一次充電的情況下，如何將產(chǎn)品足以感知環(huán)境的續(xù)航時間最大化。該挑戰(zhàn)可細(xì)化為以下方面：

00001. 根據(jù)應(yīng)用程序要求，勝任實時感知任務(wù)；

00002. 完成傳感器測量，同時盡可能少地使用能源；

00003. 保持“周期性工作”MCU 外圍設(shè)備，并讓 CPU 內(nèi)核盡可能多地處于睡眠狀態(tài)。

在這種應(yīng)用中，很多MCU的典型做法是喚醒MCU內(nèi)核然后使用各種外設(shè)去完成傳感器測量。當(dāng)有事件（例如開門）需要報告時，MCU 進(jìn)行了報告并返回至其周期性工作規(guī)律流程中。這將消耗大量電能，且不能使電池巡航時間最大化，因為運(yùn)行的“整個MCU”中，包括很多外圍設(shè)備和無關(guān)內(nèi)核運(yùn)轉(zhuǎn)都在消耗電能。

實際上，這種方法很可能導(dǎo)致較差的客戶體驗：客戶將設(shè)備置于其環(huán)境中，將其設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上并啟用，但幾個月之后，設(shè)備就因為較差的電池電源管理能力而停止工作。

TI 的高級傳感器和低功耗連接組件等新技術(shù)使制造商能夠設(shè)計無線電池供電系統(tǒng)，顯著提高可靠性和性能，同時降低部署復(fù)雜性和成本。TI 的電池管理產(chǎn)品組合由眾多產(chǎn)品組成，用于確保此類系統(tǒng)的高效、可靠和適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控和運(yùn)行。

例如，TI 的bq27426和bq27220電池電量計需要最少的用戶配置和系統(tǒng)微控制器 (MCU) 固件開發(fā)。雖然這些產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置面向更高電流和更高電池容量的應(yīng)用，例如智能手機(jī)，但它們也可以支持低電流應(yīng)用，如應(yīng)用筆記“使用縮放增強(qiáng)低電流應(yīng)用的分辨率測量”中所述。

在 TI 的 SimpleLink? 超低功耗無線 MCU 平臺的支持下，用于低功耗工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場計量的高精度電池電量計參考設(shè)計使用無線物聯(lián)網(wǎng)、Bluetooth®低功耗、4 1/2 位、100kHz 真有效值數(shù)字萬用表參考設(shè)計（圖 1 顯示了其框圖）展示了如何在低電流應(yīng)用中提高 bq27426 電量計的精度和性能。 

圖 1：無線 DMM 框圖

這種性能改進(jìn)是通過適當(dāng)調(diào)整外部電流檢測電阻和各種 bq27426 電池配置參數(shù)來提高 bq27426 電流測量分辨率來實現(xiàn)的。在此增強(qiáng)型準(zhǔn)確度電量計參考設(shè)計中，通過用 200mΩ 電阻器替換標(biāo)準(zhǔn) 10mΩ 電流檢測電阻器，分辨率從 1mA 變?yōu)?50μA。圖 2 說明了與標(biāo)準(zhǔn) 1mA 分辨率解決方案相比，50μA 配置的電流測量精度改進(jìn)。 

圖 2：分辨率測量誤差

這種改進(jìn)的電流測量精度帶來了更好的系統(tǒng)電量計量精度和性能。例如，圖 3 顯示了當(dāng)無線 DMM 電池從完全充電狀態(tài)（0 小時）轉(zhuǎn)換到完全放電狀態(tài)（~28 小時）時兩種分辨率配置的剩余時間誤差。  

圖 3：剩余時間誤差

這些圖突出了與增強(qiáng)分辨率配置相關(guān)的剩余時間估計的顯著改進(jìn)。這在標(biāo)準(zhǔn)分辨率配置跨越 1mA 分辨率邊界時尤為明顯，如放電周期早期的雜散所示。此外，在需要更低系統(tǒng)負(fù)載電流的應(yīng)用中，性能增量將變得更加重要。

總之，簡單的電阻器和電量計參數(shù)縮放可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場計量和其他需要精確電池狀態(tài)測量的超低功耗系統(tǒng)。