便攜式電子產(chǎn)品與我們的生活日益密切,使用可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費新潮流。在市場日益顯著增長的同時,如何提高電量計的準(zhǔn)確性成為了亟待解決的問題。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。
通過添加電量計量功能的元件可以提高電量計的準(zhǔn)確性,但這就有可能增加設(shè)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(shè)備,因此設(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(jìn)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(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
安森美半導(dǎo)體的LC70920XF智能鋰電池電量計IC為克服庫侖計數(shù)電量計的弊端,并解決上述設(shè)計挑戰(zhàn)提供了絕佳解決方案: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。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(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(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(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(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。