讓電池電量計更精確

摘要：本文介紹一種新的高精度技術用于電池電量計，可幫助手機和其它便攜式設備用戶避免系統(tǒng)意外關閉的不便和無奈。

　　電池供電的移動設備如智能手機、平板電腦和筆記本電腦已為現(xiàn)代生活所必需。例如，當今智能手機提供人們每天需多次使用的許多功能：發(fā)電郵、發(fā)短信、GPS、拍照、日歷、記事本、多媒體播放器，甚至時不時的電話。用戶通常需要在低電量時繼續(xù)操作他們的設備，如果即使顯示還剩百分之幾的電量，系統(tǒng)突然關閉，可能帶來不便。同樣，許多筆記本電腦用戶，已經歷過在筆記本電腦為保護電池而比預期更快關機后，丟失未保存的工作的沮喪。

　　考慮到隨時準確知曉電池剩余電量對用戶的重要性，精確的電池“電量計”極其重要。但是通常用于便攜式設備的庫倫計數技術不僅不準確，導致意外關機的可能性非常大，而且受制于溫度相關的誤差，并消耗寶貴的電池電量，而將這些電量用來為其它功能電路供電可能更好。

1 庫倫計數電量計

　　庫侖計數使用一個高精度的電流檢測電阻來監(jiān)測電池不斷輸出的電流。電流隨時間而集成，并將結果與已知的最大電量進行比較，以計算可用的剩余電量。

　　從根本上說庫倫計數是不準確的，因為它無法檢測電池自放電事件，因自放電電流未流過庫倫計數的檢測電阻。而且，自放電事件往往升高環(huán)境溫度，改變檢測電阻阻抗從而進一步影響精確度。此外，電池每次必須充滿電以便精確校準。

　　庫倫計數更多的缺點包括精密檢測電阻相對高的成本，以及當檢測電流持續(xù)流過被這電阻消耗的寶貴的電池電量。

　　庫倫計數精確度約8%左右。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%。對筆記本用戶來說，這帶來在工作中丟失未保存文件的切實風險。在智能手機中，因系統(tǒng)關閉非必需的功能而可能導致通話中斷或功能丟失。由于如此不準確的水平，用戶可能在即使指示器顯示還有20%左右剩余電量時就開始擔心電池剩余的使用時間。對顯示的電池使用時間驟降的擔心，只會增加對狀態(tài)信息的不信任感。

　　當市場耐心等待電池技術的改進(或事實上不甘現(xiàn)狀)，設備設計工程師構思日益復雜的電源管理方案，以節(jié)省每一個可能報廢的電池電量時，電量計為用戶提供準確的讀數，同時它本身消耗盡可能少的電池電量是極其重要的。

2 更好的方法

　　安森美半導體已開發(fā)出專利方法HG-CVR(通過使用內部阻抗探測電流-電壓的混合計量法)，根據使用精密的模數轉換器(ADC)測得的電池電壓計算電池剩余電量。圖1所示為基本應用電路，顯示使用這技術的一個電量計系統(tǒng)的主要功能模塊。

　　描述被監(jiān)測的電池技術的電壓與電量的關系特性的參考表被存于內存中。通過比較測到的電壓與存于表中的值，可計算出電池剩余電量。圖2說明了原理：如果測得的電壓為4.0 V，與參考表的比較表明電池電量剩余75%。

　　在已知的時間間隔重復測量電壓。電池溫度也被監(jiān)控。根據電壓和溫度測量，和在已知的時間間隔記錄的電壓變化，就可計算出電池電量將完全耗盡前的剩余時間。當電池電壓更低時，讀數會更頻繁，以確保當電池剩余的使用時間變得更短時的準確的預測。

　　這種方法通過測量電池組電壓，能考慮到電池自放電事件。而且，電池無需充滿電就能校準。即使電池只充電到50%，也可準確計算電池剩余使用時間。

　　由于測量間隔，監(jiān)測電路無需持續(xù)運行。這使電量計電路能在測量之間進入節(jié)能睡眠模式。與傳統(tǒng)的庫倫計數相比，這種方法因無需檢測電阻因而降低運行能耗。

3 溫度補償

　　眾所周知，在低環(huán)境溫度下工作對鋰電池性能有顯著影響。特別地，隨著溫度降至0℃以下，電池阻抗變化，導致當放電電流流動時電池壓降增加。安森美半導體已在其LC709203F電池電壓檢測電量計IC中添加獨特的校正算法。這算法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精度保持在2.8%以內。

　　為比較使用安森美半導體的LC709203F的電量計量法和庫倫計數電路的性能，裝有新電池的智能手機自適應以支持正負極電池連接，電池組的輸出熱敏電阻被連接至LC709203F，同時使智能手機的內置電量計能繼續(xù)運行。數據記錄器用來記錄內置電量計的輸出，這通過智能手機的I2C總線和LC709203F的輸出來監(jiān)測。智能手機被置于一個0℃的恒溫容器中，開啟背光，運行于飛行模式。圖3所示為實驗裝置。

　　圖4所示為比較的結果。使用LC709203F在測試期內達到的精度高于2.8%，電池剩余電量最低水平高于2%。標準的電量計系統(tǒng)運行具有不同程度的誤差，當電池電量即將耗盡時，達到高于6%的最高水平。從用戶角度來講，希望當電池電量更低時有更高精度，以便預測設備可能關閉的時間。

4 尺寸和省電

　　LC709203F支持只需一個外部元器件的高能效電量計量，而替代的器件可能需要2-5個或多達14個額外元器件，這大大節(jié)省物料單成本和設計時間，還提升可靠性。而且，1.76mm x 1.6mm的封裝較替代器件小45%。結合減少的元器件數，這使電量計電路的整體線路板(PCB)面積將減少約77%。這對智能手機設計工程師可能代表了一個關鍵的好處，他們持續(xù)奮戰(zhàn)于嵌入所有設計元素以提供消費者想要的功能和用戶接口，留給元器件更小的空間使這一切成為現(xiàn)實。

　　總功耗也更低。LC709203F工作電流為15 μA，約為相似的競爭器件118 μA的1/10。除了運行時的消耗改進超過87%，LC709203F在睡眠模式下最高消耗60%的電流。

5 結論

　　傳統(tǒng)的庫倫計數電池電量計具有相對較差的精度，使當今用戶在使用他們的移動設備時容易受到不便的中斷，特別是當工作接近電池剩余電量極限時。新技術使用精密的電池電壓檢測，內置誤差校正和溫度補償，確保一個更精確、具成本效益和節(jié)能的方案，將使用戶能更有效地管理他們的移動電池。