| 便攜式電子產(chǎn)品與我們的生活日益密切，使用可穿戴設備已經(jīng)成為消費新潮流。在市場(chǎng)日益顯著(zhù)增長(cháng)的同時(shí)，如何提高電量計的準確性成為了亟待解決的問(wèn)題。傳統內置于可穿戴設備的電量計可提供的精確度約±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(hù)往往以為設備可以再工作一段時(shí)間，而系統卻突然意外關(guān)閉，丟失未保存的關(guān)鍵數據和工作，為用戶(hù)的使用帶來(lái)不便。試想如果這種故障發(fā)生在醫療環(huán)境，還有可能危及生命。
通過(guò)添加電量計量功能的元件可以提高電量計的準確性，但這就有可能增加設備的尺寸和重量，而如今的消費者需要更纖薄、可集成更多功能的便攜式/可穿戴設備，因此設計人員需要考慮使用高能效的元件。
傳統電量計量方案：庫侖計數法
庫侖計數法是最常用的電量計量法，它采用高精度的電流檢測電阻，連續監測電池的輸出電流。電流隨時(shí)間而集成，并將結果與已知的最大電量進(jìn)行比較，以計算可用的剩余電量。
圖1：庫侖計數法
庫侖計數法的最大弊端在于其非常不準確，導致意外關(guān)機的可能性非常大。因為電池的自放電電流不流過(guò)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(mǎn)電才能取得準確的測量，而事實(shí)上電池不是每次都被充滿(mǎn)電。
庫侖計數法不僅不準確，而且由于其需要檢測電阻，導致成本增加并占用更大的PCB空間，而檢測電流流過(guò)檢測電阻會(huì )消耗額外的電池電量，干擾主電池性能，增加功率損耗。
基于內部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計量法
安森美半導體的LC70920XF智能鋰電池電量計IC為克服庫侖計數電量計的弊端，并解決上述設計挑戰提供了絕佳解決方案：采用基于精密的模數轉換(ADC)技術(shù)的板載電量計，并在電量計內置誤差校正和溫度補償。結合低功耗工作及高精度計量，通過(guò)減少磨損確保更長(cháng)的電池使用時(shí)間，此外，沒(méi)有外部檢測電阻意味著(zhù)沒(méi)有功率損耗并節省寶貴的PCB空間。
LC70920XF基于稱(chēng)為HG-CVR的獨特計量法，以±2.8%的誤差測量電池的相對電荷狀態(tài)(RSOC)，即使在相對不穩定的條件下，包括溫度、老化、負載及自放電。
精密的參考電壓對準確的電壓測量至關(guān)重要。LC70920XF具有精確的內部參考電壓電路，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/溫度功能的數據。
HG-CVR法測量電池電壓、溫度、內部電阻和電池開(kāi)路電壓(OCV)。OCV是無(wú)負載電流的電池電壓。測量的電池電壓分為OCV和隨負載電流變化的電壓。變化的電壓是由負載電流和內部電阻產(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)是隨負載電流變化的電壓，V(MEAUSRED)是測得的電壓，R(INTERNAL)是電池的內部電阻。內部電阻受剩余電量、負載電流、溫度等因素影響。HG-CVR法在監測電壓后提取電荷(庫侖)，并使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計算。
然后，通過(guò)不斷將測到的電壓及溫度與參考表中的值進(jìn)行比較來(lái)計算剩余電池電量。當電池電壓更低時(shí)，讀數會(huì )更頻繁，以確保在電池剩余使用時(shí)間變得更短時(shí)的準確的預測。
不像其它電荷測量法，HG-CVR法能考慮到電池自放電事件，無(wú)需將設備的電池充滿(mǎn)電用于校準，即使電池只充電至50%，也可準確地計算電池的剩余使用時(shí)間。
圖2：安森美半導體專(zhuān)利的HG-CVR法
如何識別老化？
通過(guò)重復放電/充電，電池內部電阻將逐漸增加，滿(mǎn)充容量(FCC)將減少。在庫侖計數法中，通常使用FCC和剩余容量(RM)計算RSOC。
RSOC = RM/FCC ×100%
庫侖計數法必須通過(guò)學(xué)習周期預先測量減少的FCC。而HG-CVR可測量電池的RSOC而無(wú)需學(xué)習周期，該方案用來(lái)計算電流的內部電池電阻與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)性報告的RSOC不受老化的影響。
誤差自動(dòng)收斂
庫侖計數法的一個(gè)問(wèn)題是誤差隨時(shí)間而累積，采用庫侖計數法的電量計必須找機會(huì )校正它。采用HG-CVR的LC70920XF具有RSOC誤差收斂的功能，誤差在從開(kāi)路電壓的估測中不斷收斂。而且，庫侖計數法無(wú)法檢測準確的剩余變化，因為自放電電流數太小，但HG-CVR法通過(guò)電壓信息能準確檢測。
易于快速安裝
一般而言，對電量計來(lái)說(shuō)，獲取多個(gè)參數是必要的，這通常耗費大量資源和額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間。LC70920XF的一個(gè)獨特功能是多個(gè)配置檔表已內置其中，因而電池測量開(kāi)始時(shí)要準備的參數量非常少，從而簡(jiǎn)化設計，加快安裝。
上電復位/電池插入檢測
當LC70920XF檢測到電池插入，它開(kāi)始自動(dòng)上電復位。一旦電池電壓超過(guò)復位釋放電壓(VRR)，它將釋放復位狀態(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(dòng)執行系統復位。
低功耗
HG-CVR在預設的時(shí)間段測量電壓和溫度，無(wú)需監測電路持續運行，這使電量計電路能在測量間隔之間使自身進(jìn)入節能睡眠模式，而且無(wú)需檢測電阻，降低有源功耗。
采用HG-CVR法的電量計減少所需元件數，降低功耗。以L(fǎng)C709203F為例，它比競爭方案少4倍外部元件數，支持設計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計時(shí)間，還提升可靠性。而且，由于所需外部元件數更少，LC709203F可顯著(zhù)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(zhù)溫度降至0°C以下，電池電阻變化，導致放電電流流動(dòng)時(shí)電池壓降增加。安森美半導體的智能鋰電池電量計LC70920XF內置獨特的校正算法，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?xún)取?/font>
智能鋰電池電量計LC709203F概覽
1．功能
·采用HG-CVR算法技術(shù)：無(wú)需外部檢測電阻，測量電池RSOC的誤差低至2.8%，調節電池的寄生電阻，簡(jiǎn)化設計
·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
·提供溫度補償：溫度通過(guò)I2C輸入或直接由熱敏電阻測量，這溫度補償有助于確保電量計在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以?xún)取?/font>
·I2C接口支持達400 kHz頻率
2．主要電氣參數
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：連接至電池負極
VDD引腳：連接至電池正極
ALARMB引腳：通過(guò)低輸出(開(kāi)漏)指示報警，上拉必須在外部完成，報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定值或低于設定電壓，將通過(guò)開(kāi)漏內置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數據引腳(開(kāi)漏)。上拉必須在外部完成
SCL引腳：I2C時(shí)鐘引腳(開(kāi)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(kāi)連接。
4．關(guān)于電氣功能及線(xiàn)路布局的說(shuō)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?xún)?/font>
3). 如果通過(guò)I2C初始化(初始的RSOC)，那么開(kāi)始讀取電池值在2 ms后
4). 如果電源施加到VDD和VSS，電池值將保持穩定，無(wú)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(wú)需上拉電阻
總結
可穿戴設備需要更準確、更低功耗和更小尺寸的電量計，安森美半導體的智能鋰電池電量計LC70920XF克服傳統庫侖計數電量計的弊端，采用專(zhuān)利的HG-CVR 法，內置誤差校正和溫度補償，更精準地計量電池的剩余電量，讓可穿戴設備用戶(hù)隨時(shí)準確知曉電池的剩余使用時(shí)間，不再因系統意外關(guān)機而困擾。由于該方案省去檢測電阻，因而減少外部元件數，且功耗屬業(yè)界最低，為用戶(hù)提供更準確、更小尺寸、更高能效的功能。 |
