一、前言
使用便攜式電子產(chǎn)品，希望能夠隨時(shí)知道電池的所剩電量，所能持續的工作時(shí)間，并且據此調節相關(guān)應用，這無(wú)疑將是一個(gè)非常方便的事情，尤其適合使用智能手機的商務(wù)人士。電池電量檢測技術(shù)在筆記本電腦中已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，多數筆記本電腦都有電源管理的選項，提供不同的電源工作模式以及電池報警功能。但是在更加小型化的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)，這一技術(shù)卻還不多見(jiàn)。
便攜式產(chǎn)品提供的功能越來(lái)越紛繁，用戶(hù)日益需要準確地監測電池電量，以便靈活管理可用電源，明確顯示剩余工作時(shí)間，盡可能延長(cháng)系統運行的時(shí)間�，F在大多數手機采用的電量測量方法還比較簡(jiǎn)單，缺乏精確度。目前主流的檢測方法是簡(jiǎn)單測量電池電壓，估算相對應的電池剩余電量�？傠娏砍�4或5，也就是通常能在手機屏幕上看見(jiàn)的4格或者5格的電量Bar，所以每格的精確度即是25%或者20%，這樣的精度顯然無(wú)法滿(mǎn)足高精度要求的應用。
這種電壓估測電量的方法通常如下：一塊電池在放電的時(shí)候，電池的電壓會(huì )隨著(zhù)電池電量的流失逐漸地下降。這樣就可以得到一個(gè)比較簡(jiǎn)單而有效的對應關(guān)系，就是電壓對應容量。通過(guò)電池正常使用（比如100mA放電）的放電曲線(xiàn)，對時(shí)間進(jìn)行4等分，以充電限制電壓為4.2V的鋰電池為例，可以列出這樣一個(gè)對應關(guān)系，4.20V—100%，3.85V—75%，3.75V—50%，3.60V—25%，3.40V—5%（因為手機不可能完全用光電池的電量，一般低于3.40V 時(shí)就可能自動(dòng)關(guān)機了）。很顯然，這種精度最高只有25%。另外，電池電壓會(huì )隨著(zhù)RFPA的功率發(fā)射發(fā)生突變，通常會(huì )變小0.2V-0.3V。如果一味的使用電壓模擬電量方法，就會(huì )誤差更大。為了解決電池電壓突然變小的測量問(wèn)題，當前工程師們的普遍方法是利用軟件算法進(jìn)行均值濾波，對一段時(shí)間內的電池電壓進(jìn)行均值化，如果該時(shí)間段的平均電池電壓確實(shí)下降了，則預估電量確實(shí)變少了，否則即認為電量并未變化。
電池電壓模擬剩余電量的方法確實(shí)存在著(zhù)缺陷，而通過(guò)庫侖計實(shí)時(shí)監測電池消耗電量而計算剩余電量的方法則非常準確。Fairchild的FAN4010是這種應用的典型器件。它是一顆電流檢測傳感器，專(zhuān)門(mén)用于檢測便攜式設備電池的充電/耗電電流，能將通過(guò)精密檢測電阻的電流信號轉換為ADC可以檢測到的電壓信號，從而計算一段時(shí)間內消耗的真實(shí)電量。
二、硬件電路的典型設計
為了滿(mǎn)足高精度的電池電量監測需求，FAN4010外加合適的應用電路并加上特定的軟件控制算法，就能夠很好的達到要求。如圖1是FAN4010的典型應用框圖。外圍只需要兩個(gè)電阻Rsense、Rout即構成高精度的放大電路。如圖2是內部結構原理示意圖，所以存在Vsense = I_load * Rsense, Vout = 0.01 * Vsense * Rout，由此兩關(guān)系式可以等到I_load=100*Vout/(Rout*Rsense)，所以只要用ADC監測Vout上的電壓，再除以已知的電阻值Rout和Rsense，就可以得到準確的負載消耗電流，而電流對時(shí)間進(jìn)行積分，
即可以達到所消耗的電量準確值。用總電量減去準確的電量消耗值，即可得到準確的剩余電量。充電電路，則同理。
圖1 FAN4010的應用框圖
圖2 FAN4010的內部結構原理示意圖
FAN4010的典型應用圖以及Rsense、Rout的選值要求如下。其中圖3為電池的充電電路，圖4為電池的放電電路。
圖3 充電部分的參考原理圖
圖4 放電部分的參考原理圖
Rsense(R_sense1/R_sense2)
這兩個(gè)電阻串聯(lián)在充電和放電的路徑上。因此，我們需要一個(gè)低阻值的電流采樣電阻。矛盾 的是，如果Rsense太低，精度都將丟失。若Rsense選擇的過(guò)大，則此電阻上的壓降和功耗都很大。因此，Rsense的選擇應該是理想的高精確度和 所能允許電壓損失的綜合平衡。雖然FAN4010在Vsense值較低時(shí)采樣電阻上的功耗最小，但是一個(gè)更大的Rsense值能提供更多的準確性。然而較 大的Rsense會(huì )產(chǎn)生一個(gè)比較大的電壓降，減少了可提供給負載的有效電壓，這在低電壓尤其電池供電的應用中會(huì )很有麻煩。正因為如此，設計中要很好地了解 預期的最大允許負載電流和負載供電電壓。為了獲得最大化的精度，建議Rsense的選擇應符合以下條件：10mV
Rout(R_out1/R_out2)
接 到GND上的Rout這個(gè)電阻，是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)可供ADC檢測到的電壓信號。它的選擇主要取決于兩個(gè)參數：I_out(即 I_load*Rsense/100)以及ADC的電壓采樣范圍。最大的I_load產(chǎn)生的最大Vout不能超過(guò)ADC的最大采樣電壓。為了保證精度最大 化，同時(shí)又希望最大的Vout能盡量接近ADC的最大采樣量程。
另外，為了保證FAN4010的最大線(xiàn)性化，Rout的選擇應滿(mǎn)足關(guān)系式：
其中Vin為輸入電壓，Iout_fs的值則是表1中的對應值，在不同的最大Vsense時(shí)，其值不一樣。例如，若最大的Vsense為500mV時(shí)，則Iout_fs=5mA。
Layout設計圖例如圖5，走線(xiàn)的基本原則是：FAN4010盡量靠近充電/放電路徑。
圖5 layout實(shí)例
三、典型的軟件設計
電量計算的算法如圖6，相關(guān)說(shuō)明如下：
假設前提：現有兩塊電池，A （總容量1000mAh左右，不確定），B（總容量1500mAh左右，不確定），此2電池均可能使用在手機P上。
插入電池（開(kāi)機）→→是否電池校準（默認否）→→否→→調用電池容量曲線(xiàn)a（默認）（若使用電池B，則修改為使用電池容量曲線(xiàn)b）→→通過(guò)電池端電池Vcc以及監測耗電量聯(lián)合評估剩余電量百分比。
→→是→→若要校準，請保證該電池已經(jīng)充滿(mǎn)電→→選擇校準曲線(xiàn)，a 還是 b? →→記錄最高端電池Vcc-h，默認此時(shí)電池電量百分比100%→→按每一可計算時(shí)間段，分別監測耗電量
以及電池端電壓→→一直使用到電池沒(méi)電，自動(dòng)關(guān)機，記錄此狀態(tài)電壓Vcc-l以及默認此時(shí)電池百分比0%，計算總的電量損耗Q，此Q即為以后容量曲線(xiàn)的total Q。
圖6 軟件流程圖
Table.1 Iout_FS的選值表 |
