資料介紹
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(fèi)新潮流。在市場(chǎng)日益顯著增長(zhǎng)的同時(shí),如何提高電量計(jì)的準(zhǔn)確性成為了亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)內(nèi)置于可穿戴設(shè)備的電量計(jì)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(shè)備可以再工作一段時(shí)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(hù)的使用帶來(lái)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(guò)添加電量計(jì)量功能的元件可以提高電量計(jì)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(fèi)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(jì)人員需要考慮使用高能效的元件。
傳統(tǒng)電量計(jì)量方案:庫(kù)侖計(jì)數(shù)法
庫(kù)侖計(jì)數(shù)法是最常用的電量計(jì)量法,它采用高精度的電流檢測(cè)電阻,連續(xù)監(jiān)測(cè)電池的輸出電流。電流隨時(shí)間而集成,并將結(jié)果與已知的最大電量進(jìn)行比較,以計(jì)算可用的剩余電量。
圖1:庫(kù)侖計(jì)數(shù)法
庫(kù)侖計(jì)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(jī)的可能性非常大。因?yàn)殡姵氐淖苑烹婋娏鞑涣鬟^(guò)外部檢測(cè)電阻,所以它不能被檢測(cè)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(mǎn)電才能取得準(zhǔn)確的測(cè)量,而事實(shí)上電池不是每次都被充滿(mǎn)電。
庫(kù)侖計(jì)數(shù)法不僅不準(zhǔn)確,而且由于其需要檢測(cè)電阻,導(dǎo)致成本增加并占用更大的PCB空間,而檢測(cè)電流流過(guò)檢測(cè)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(nèi)部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計(jì)量法
安森美半導(dǎo)體的LC70920XF智能鋰電池電量計(jì)IC為克服庫(kù)侖計(jì)數(shù)電量計(jì)的弊端,并解決上述設(shè)計(jì)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(jì),并在電量計(jì)內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償。結(jié)合低功耗工作及高精度計(jì)量,通過(guò)減少磨損確保更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間,此外,沒(méi)有外部檢測(cè)電阻意味著沒(méi)有功率損耗并節(jié)省寶貴的PCB空間。
LC70920XF基于稱(chēng)為HG-CVR的獨(dú)特計(jì)量法,以±2.8%的誤差測(cè)量電池的相對(duì)電荷狀態(tài)(RSOC),即使在相對(duì)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(duì)準(zhǔn)確的電壓測(cè)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(chǔ)參考表在其存儲(chǔ)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(cè)量電池電壓、溫度、內(nèi)部電阻和電池開(kāi)路電壓(OCV)。OCV是無(wú)負(fù)載電流的電池電壓。測(cè)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(cè)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(cè)電壓后提取電荷(庫(kù)侖),并使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計(jì)算。
然后,通過(guò)不斷將測(cè)到的電壓及溫度與參考表中的值進(jìn)行比較來(lái)計(jì)算剩余電池電量。當(dāng)電池電壓更低時(shí),讀數(shù)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(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
不像其它電荷測(cè)量法,HG-CVR法能考慮到電池自放電事件,無(wú)需將設(shè)備的電池充滿(mǎn)電用于校準(zhǔn),即使電池只充電至50%,也可準(zhǔn)確地計(jì)算電池的剩余使用時(shí)間。
圖2:安森美半導(dǎo)體專(zhuān)利的HG-CVR法
如何識(shí)別老化?
通過(guò)重復(fù)放電/充電,電池內(nèi)部電阻將逐漸增加,滿(mǎn)充容量(FCC)將減少。在庫(kù)侖計(jì)數(shù)法中,通常使用FCC和剩余容量(RM)計(jì)算RSOC。
RSOC = RM/FCC ×100%
庫(kù)侖計(jì)數(shù)法必須通過(guò)學(xué)習(xí)周期預(yù)先測(cè)量減少的FCC。而HG-CVR可測(cè)量電池的RSOC而無(wú)需學(xué)習(xí)周期,該方案用來(lái)計(jì)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(bào)告的RSOC不受老化的影響。
誤差自動(dòng)收斂
庫(kù)侖計(jì)數(shù)法的一個(gè)問(wèn)題是誤差隨時(shí)間而累積,采用庫(kù)侖計(jì)數(shù)法的電量計(jì)必須找機(jī)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(cè)中不斷收斂。而且,庫(kù)侖計(jì)數(shù)法無(wú)法檢測(cè)準(zhǔn)確的剩余變化,因?yàn)樽苑烹婋娏鲾?shù)太小,但HG-CVR法通過(guò)電壓信息能準(zhǔn)確檢測(cè)。
易于快速安裝
一般而言,對(duì)電量計(jì)來(lái)說(shuō),獲取多個(gè)參數(shù)是必要的,這通常耗費(fèi)大量資源和額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間。LC70920XF的一個(gè)獨(dú)特功能是多個(gè)配置檔表已內(nèi)置其中,因而電池測(cè)量開(kāi)始時(shí)要準(zhǔn)備的參數(shù)量非常少,從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),加快安裝。
上電復(fù)位/電池插入檢測(cè)
當(dāng)LC70920XF檢測(cè)到電池插入,它開(kāi)始自動(dòng)上電復(fù)位。一旦電池電壓超過(guò)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(shí)電池電壓比VRR低很多,LC70920XF也自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位。
低功耗
HG-CVR在預(yù)設(shè)的時(shí)間段測(cè)量電壓和溫度,無(wú)需監(jiān)測(cè)電路持續(xù)運(yùn)行,這使電量計(jì)電路能在測(cè)量間隔之間使自身進(jìn)入節(jié)能睡眠模式,而且無(wú)需檢測(cè)電阻,降低有源功耗。
采用HG-CVR法的電量計(jì)減少所需元件數(shù),降低功耗。以L(fǎng)C709203F為例,它比競(jìng)爭(zhēng)方案少4倍外部元件數(shù),支持設(shè)計(jì)工程師省去外部電流檢測(cè)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(jìng)爭(zhēng)方案小約45%,不僅降低物料單成本和設(shè)計(jì)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(bǔ)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(dòng)時(shí)電池壓降增加。安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計(jì)LC70920XF內(nèi)置獨(dú)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)?nèi)。
智能鋰電池電量計(jì)LC709203F概覽
1.功能
? 采用HG-CVR算法技術(shù):無(wú)需外部檢測(cè)電阻,測(cè)量電池RSOC的誤差低至2.8%,調(diào)節(jié)電池的寄生電阻,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
? 提供低功耗
? 提供精密的電壓測(cè)量
? 具精密的定時(shí)器
? 在低RSOC或低電壓時(shí)發(fā)出警報(bào)
? 提供溫度補(bǔ)償:溫度通過(guò)I2C輸入或直接由熱敏電阻測(cè)量,這溫度補(bǔ)償有助于確保電量計(jì)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)?nèi)。
? I2C接口支持達(dá)400 kHz頻率
2.主要電氣參數(shù)
參數(shù)
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