更準(zhǔn)確的電量計(jì)采用內(nèi)部電阻跟蹤電流-電壓用于可穿戴設(shè)備

我們當(dāng)今的生活已和便攜式電子產(chǎn)品密不可分，可穿戴設(shè)備作為新的潮流正日漸受到消費(fèi)者青睞。據(jù)Allied Market Research organization的數(shù)據(jù)，到2020年，可穿戴電子市場每年的價(jià)值將超過250億美元，包括智能手表/環(huán)、健身追蹤設(shè)備、可穿戴醫(yī)療等等。

在市場正顯著增長的同時(shí)，對這類應(yīng)用的設(shè)計(jì)也面臨一些重大挑戰(zhàn)：電量計(jì)的可靠性相當(dāng)重要，不可靠的電池計(jì)量IC可能導(dǎo)致致命的錯(cuò)誤。用戶通常通過指示器顯示的剩余電量來判斷設(shè)備繼續(xù)工作的時(shí)間。傳統(tǒng)內(nèi)置于可穿戴設(shè)備的電量計(jì)可提供的精確度約±8%。因此如果指示器顯示剩余電量為10%，那么實(shí)際值可能低至2%。用戶往往以為設(shè)備可以再工作一段時(shí)間，而系統(tǒng)卻突然意外關(guān)閉，丟失未保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和工作，為用戶的使用帶來不便。試想如果這種故障發(fā)生在醫(yī)療環(huán)境，還有可能危及生命。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，便攜式/可穿戴設(shè)備的外形越來越纖薄，這意味著電池必須提供更大容量的同時(shí)，尺寸必須越來越小。從消費(fèi)者的角度，期望便攜式/可穿戴設(shè)備集成更多更豐富功能的同時(shí)，能隨時(shí)準(zhǔn)確告知剩余電量，但這類應(yīng)用因不斷趨于小外形而導(dǎo)致可用空間受限，添加任意提供電量計(jì)量功能的元件都可能增加設(shè)備的尺寸、重量，因而設(shè)計(jì)人員需要考慮使用高能效的元件。

傳統(tǒng)電量計(jì)量方案：庫侖計(jì)數(shù)法

庫侖計(jì)數(shù)法是最常用的電量計(jì)量法，它采用高精度的電流檢測電阻，連續(xù)監(jiān)測電池的輸出電流。電流隨時(shí)間而集成，并將結(jié)果與已知的最大電量進(jìn)行比較，以計(jì)算可用的剩余電量。

圖1：庫侖計(jì)數(shù)法

庫侖計(jì)數(shù)法的最大弊端在于其非常不準(zhǔn)確，導(dǎo)致意外關(guān)機(jī)的可能性非常大。因?yàn)殡姵氐淖苑烹婋娏鞑涣鬟^外部檢測電阻，所以它不能被檢測到。而且這種自放電電流受電池溫度的影響，自放電事件導(dǎo)致環(huán)境溫度升高而進(jìn)一步影響精確度。此外，只有電池每次被充滿電才能取得準(zhǔn)確的測量，而事實(shí)上電池不是每次都被充滿電。

庫侖計(jì)數(shù)法不僅不準(zhǔn)確，而且由于其需要檢測電阻，導(dǎo)致成本增加并占用更大的PCB空間，而檢測電流流過檢測電阻會消耗額外的電池電量，干擾主電池性能，增加功率損耗。

基于內(nèi)部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計(jì)量法

更準(zhǔn)確地測量剩余電池電量的更佳的方案是采用基于精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)技術(shù)的板載電量計(jì)，并在電量計(jì)內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償。

安森美半導(dǎo)體的LC70920XF智能鋰電池電量計(jì)IC 克服庫侖計(jì)數(shù)電量計(jì)的弊端，解決上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：結(jié)合低功耗工作及高精度計(jì)量，通過減少磨損確保更長的電池使用時(shí)間，此外，沒有外部檢測電阻意味著沒有功率損耗并節(jié)省寶貴的PCB空間。

LC70920XF基于稱為HG-CVR的獨(dú)特計(jì)量法，以±2.8%的誤差測量電池的相對電荷狀態(tài)(RSOC)，即使在相對不穩(wěn)定的條件下，包括溫度、老化、負(fù)載及自放電。

精密的參考電壓對準(zhǔn)確的電壓測量至關(guān)重要。LC70920XF具有精確的內(nèi)部參考電壓電路，且這不受溫度影響，它存儲參考表在其存儲器中，其中包括關(guān)于電池的電壓/容量、電阻/容量及電阻/溫度功能的數(shù)據(jù)。

HG-CVR法測量電池電壓、溫度、內(nèi)部電阻和電池開路電壓(OCV)。OCV是無負(fù)載電流的電池電壓。測量的電池電壓分為OCV和隨負(fù)載電流變化的電壓。變化的電壓是由負(fù)載電流和內(nèi)部電阻產(chǎn)生。那么電流值由以下公式確定：

V(VARIED) = V(MEASURED)-OCV

I=V(VARIED)/R(INTERNAL)

其中V(VARIED)是隨負(fù)載電流變化的電壓，V(MEAUSRED)是測得的電壓，R(INTERNAL)是電池的內(nèi)部電阻。內(nèi)部電阻受剩余電量、負(fù)載電流、溫度等因素影響。HG-CVR法在監(jiān)測電壓后提取電荷(庫侖)，并使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計(jì)算。

然后，通過不斷將測到的電壓及溫度與參考表中的值進(jìn)行比較來計(jì)算剩余電池電量。當(dāng)電池電壓更低時(shí)，讀數(shù)會更頻繁，以確保在電池剩余使用時(shí)間變得更短時(shí)的準(zhǔn)確的預(yù)測。

不像其它電荷測量法，HG-CVR法能考慮到電池自放電事件，無需將設(shè)備的電池充滿電用于校準(zhǔn)，即使電池只充電至50%，也可準(zhǔn)確地計(jì)算電池的剩余使用時(shí)間。

圖2：安森美半導(dǎo)體專利的HG-CVR法

如何識別老化?

通過重復(fù)放電/充電，電池內(nèi)部電阻將逐漸增加，滿充容量(FCC)將減少。在庫侖計(jì)數(shù)法中，通常使用FCC和剩余容量(RM)計(jì)算RSOC。

RSOC = RM/FCC ×100%

庫侖計(jì)數(shù)法必須通過學(xué)習(xí)周期預(yù)先測量減少的FCC。而HG-CVR可測量電池的RSOC而無需學(xué)習(xí)周期，該方案用來計(jì)算電流的內(nèi)部電池電阻與FCC高度相關(guān)。這相關(guān)性取決于電池的化學(xué)功能。利用這相關(guān)性報(bào)告的RSOC不受老化的影響。

誤差自動收斂

庫侖計(jì)數(shù)法的一個(gè)問題是誤差隨時(shí)間而累積，采用庫侖計(jì)數(shù)法的電量計(jì)必須找機(jī)會校正它。采用HG-CVR的LC70920XF具有RSOC誤差收斂的功能，誤差在從開路電壓的估測中不斷收斂。而且，庫侖計(jì)數(shù)法無法檢測準(zhǔn)確的剩余變化，因?yàn)樽苑烹婋娏鲾?shù)太小，但HG-CVR法通過電壓信息能準(zhǔn)確檢測。

易于快速安裝

一般而言，對電量計(jì)來說，獲取多個(gè)參數(shù)是必要的，這通常耗費(fèi)大量資源和額外的開發(fā)時(shí)間。LC70920XF的一個(gè)獨(dú)特功能是多個(gè)配置檔表已內(nèi)置其中，因而電池測量開始時(shí)要準(zhǔn)備的參數(shù)量非常少，從而簡化設(shè)計(jì)，加快安裝。

上電復(fù)位/電池插入檢測

當(dāng)LC70920XF檢測到電池插入，它開始自動上電復(fù)位。一旦電池電壓超過復(fù)位釋放電壓(VRR)，它將釋放復(fù)位狀態(tài)并將完成初始化以進(jìn)入睡眠模式或工作模式。所有寄存器在上電復(fù)位后初始化。如果在工作時(shí)電池電壓比VRR低很多，LC70920XF也自動執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位。

低功耗

HG-CVR在預(yù)設(shè)的時(shí)間段測量電壓和溫度，無需監(jiān)測電路持續(xù)運(yùn)行，這使電量計(jì)電路能在測量間隔之間使自身進(jìn)入節(jié)能睡眠模式，而且無需檢測電阻，降低有源功耗。

采用HG-CVR法的電量計(jì)減少所需元件數(shù)，降低功耗。以LC709203F為例，它比競爭方案少4倍外部元件數(shù)，支持設(shè)計(jì)工程師省去外部電流檢測電阻，采用尺寸為1.76mm x 1.6mm的緊湊封裝，減小約77.5%的印制電路板尺寸，較競爭方案小約45%，不僅降低物料單成本和設(shè)計(jì)時(shí)間，還提升可靠性。而且，由于所需外部元件數(shù)更少，LC709203F可顯著降低總功耗，工作電流15 uA， 約競爭元件118 uA的1/10。在有源模式下，降低87%的功耗，在睡眠模式下，降低60%的功耗。

溫度補(bǔ)償

鋰電池容易受到環(huán)境條件和環(huán)境溫度變化的影響。尤其隨著溫度降至0°C以下，電池電阻變化，導(dǎo)致放電電流流動時(shí)電池壓降增加。安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計(jì)LC70920XF內(nèi)置獨(dú)特的校正算法，以確保在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內(nèi)。

智能鋰電池電量計(jì)LC709203F概覽

1.功能

· 采用HG-CVR算法技術(shù)：無需外部檢測電阻，測量電池RSOC的誤差低至2.8%，調(diào)節(jié)電池的寄生電阻，簡化設(shè)計(jì)

· 提供低功耗

· 提供精密的電壓測量

· 具精密的定時(shí)器

· 在低RSOC或低電壓時(shí)發(fā)出警報(bào)

· 提供溫度補(bǔ)償：溫度通過I2C輸入或直接由熱敏電阻測量，這溫度補(bǔ)償有助于確保電量計(jì)在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內(nèi)。

· I2C接口支持達(dá)400 kHz頻率

2.主要電氣參數(shù)

3. 模塊圖及引腳分配

LC709203F可采用WDFN8和WLCSP9兩種封裝方式，其模塊圖如圖3 所示。其中，

TEST引腳：連接至VSS

VSS引腳：連接至電池負(fù)極

VDD引腳：連接至電池正極

ALARMB引腳：通過低輸出(開漏)指示報(bào)警，上拉必須在外部完成，報(bào)警條件由寄存器指定，未使用時(shí)該引腳連接至VSS。如果電池剩余電荷降至低于設(shè)定值或低于設(shè)定電壓，將通過開漏內(nèi)置FET拉低ALARMB輸出

TSW引腳：熱敏電阻電源輸出。在讀取溫度值時(shí)，該引腳為高電平。TSW電阻值(針對上拉熱敏電阻)必須與熱敏電阻值相同

TSENSE引腳：熱敏電阻輸入。如果您將這引腳連接到熱敏電阻，其間需插入100 Ω電阻用于ESD

SDA引腳：I2C數(shù)據(jù)引腳(開漏)。上拉必須在外部完成

SCL引腳：I2C時(shí)鐘引腳(開漏)。上拉必須在外部完成

圖3：LC709203F模塊圖

需要注意的是，在不使用時(shí)必須將TSW和TSENSE引腳斷開連接。

4.關(guān)于電氣功能及線路布局的說明

1). 由于I2C地址是固定的，需確保其他元件不使用相同的地址

2). 元件從上電算起的初始化時(shí)間在80 ms以內(nèi)

3). 如果通過I2C初始化(初始的RSOC)，那么開始讀取電池值在2 ms后

4). 如果電源施加到VDD和VSS，電池值將保持穩(wěn)定，無論使能/禁用寄存器的狀態(tài)

5). 盡可能靠近IC端連接VDD和VSS間的電容(1 μF)

6). 在不使用alarm功能時(shí)，只需將alarm端與VSS連接，無需上拉電阻

總結(jié)

可穿戴設(shè)備需要更準(zhǔn)確、更低功耗和更小尺寸的電量計(jì)，安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計(jì)LC70920XF克服傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)電量計(jì)的弊端，采用專利的HG-CVR 法，內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償，更精準(zhǔn)地計(jì)量電池的剩余電量，讓可穿戴設(shè)備用戶隨時(shí)準(zhǔn)確知曉電池的剩余使用時(shí)間，不再因系統(tǒng)意外關(guān)機(jī)而困擾。由于該方案省去檢測電阻，因而減少外部元件數(shù)，且功耗屬業(yè)界最低，為用戶提供更準(zhǔn)確、更小尺寸、更高能效的功能。