更準(zhǔn)確的電量計采用內(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，對這類應(yīng)用的設(shè)計也面臨一些重大挑戰(zhàn)：電量計的可靠性相當(dāng)重要，不可靠的電池計量IC可能導(dǎo)致致命的錯誤。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)工作的時間。傳統(tǒng)內(nèi)置于可穿戴設(shè)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%，那么實際值可能低至2%。用戶往往以為設(shè)備可以再工作一段時間，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，尺寸必須越來越小。從消費者的角度，期望便攜式/可穿戴設(shè)備集成更多更豐富功能的同時，能隨時準(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量功能的元件都可能增加設(shè)備的尺寸、重量，因而設(shè)計人員需要考慮使用高能效的元件。

　　傳統(tǒng)電量計量方案：庫侖計數(shù)法

　　庫侖計數(shù)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(xù)監(jiān)測電池的輸出電流。電流隨時間而集成，并將結(jié)果與已知的最大電量進行比較，以計算可用的剩余電量。

　　圖1：庫侖計數(shù)法

　　庫侖計數(shù)法的最大弊端在于其非常不準(zhǔn)確，導(dǎo)致意外關(guān)機的可能性非常大。因為電池的自放電電流不流過外部檢測電阻，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，而事實上電池不是每次都被充滿電。

　　庫侖計數(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，并在電量計內(nèi)置誤差校正和溫度補償。

　　安森美半導(dǎo)體的LC70920XF智能鋰電池電量計IC 克服庫侖計數(shù)電量計的弊端，解決上述設(shè)計挑戰(zhàn)：結(jié)合低功耗工作及高精度計量，通過減少磨損確保更長的電池使用時間，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(wěn)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(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(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算。

　　然后，通過不斷將測到的電壓及溫度與參考表中的值進行比較來計算剩余電池電量。當(dāng)電池電壓更低時，讀數(shù)會更頻繁，以確保在電池剩余使用時間變得更短時的準(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)確地計算電池的剩余使用時間。

　　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。在庫侖計數(shù)法中，通常使用FCC和剩余容量(RM)計算RSOC。

　　RSOC = RM/FCC ×100%

　　庫侖計數(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)性報告的RSOC不受老化的影響。

　　誤差自動收斂

　　庫侖計數(shù)法的一個問題是誤差隨時間而累積，采用庫侖計數(shù)法的電量計必須找機會校正它。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，庫侖計數(shù)法無法檢測準(zhǔn)確的剩余變化，因為自放電電流數(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，對電量計來說，獲取多個參數(shù)是必要的，這通常耗費大量資源和額外的開發(fā)時間。LC70920XF的一個獨特功能是多個配置檔表已內(nèi)置其中，因而電池測量開始時要準(zhǔn)備的參數(shù)量非常少，從而簡化設(shè)計，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)的時間段測量電壓和溫度，無需監(jiān)測電路持續(xù)運行，這使電量計電路能在測量間隔之間使自身進入節(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)計時間，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)致放電電流流動時電池壓降增加。安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計LC70920XF內(nèi)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%以內(nèi)。

　　智能鋰電池電量計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

　　· 提供低功耗

　　· 提供精密的電壓測量

　　· 具精密的定時器

　　· 在低RSOC或低電壓時發(fā)出警報

　　· 提供溫度補償：溫度通過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%以內(nèi)。

　　· I2C接口支持達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：連接至電池負極

　　VDD引腳：連接至電池正極

　　ALARMB引腳：通過低輸出(開漏)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，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 ?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，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，安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計LC70920XF克服傳統(tǒng)庫侖計數(shù)電量計的弊端，采用專利的HG-CVR 法，內(nèi)置誤差校正和溫度補償，更精準(zhǔn)地計量電池的剩余電量，讓可穿戴設(shè)備用戶隨時準(zhǔn)確知曉電池的剩余使用時間，不再因系統(tǒng)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(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。