提高便攜式設(shè)備電池的安全性、準(zhǔn)確的充電狀態(tài)和更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間

準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài) （SOC）、較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和保質(zhì)期以及安全性是開(kāi)發(fā)便攜式設(shè)備時(shí)的關(guān)鍵考慮因素。高度集成的新型電量計(jì)IC系列解決了這些電池挑戰(zhàn)。通過(guò)采用ModelGauge? m5 EZ算法，MAX17301消除了電池特性，大大縮短了上市時(shí)間（TTM）。該算法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)SOC并增強(qiáng)安全性。此外，IC的低靜態(tài)電流允許更長(zhǎng)的保質(zhì)期和更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。電量計(jì)和保護(hù)控制的集成提高了安全性，并最大限度地減少了物料清單 （BOM） 和 PCB 面積。

介紹

電量計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng)上，需要獲得最佳的電池SOC精度。 針對(duì)特定應(yīng)用條件對(duì)每種電池進(jìn)行廣泛的表征和分析（圖 1）。這使得它 很難滿足快速的 TTM 目標(biāo)，因?yàn)榭蛻粢幢仨氉约簣?zhí)行復(fù)雜的表征，要么必須發(fā)貨 電量計(jì)供應(yīng)商的電池。鋰離子電池運(yùn)輸安全法規(guī)的新更新（如UN 38.3）使這項(xiàng)工作變成了一項(xiàng)復(fù)雜的物流工作。電池到達(dá)后，電量計(jì) 供應(yīng)商可能需要兩到三周的時(shí)間來(lái)運(yùn)行測(cè)試并分析結(jié)果。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須妥善解決與鋰離子電池操作相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)?虐待可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。符合 IEC/UL 62368-1 等安全標(biāo)準(zhǔn) 越來(lái)越重要。電子設(shè)備的保護(hù)是增加電池的另一個(gè)必要復(fù)雜性層 管理流程。

對(duì)于大批量應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須降低不安全售后克隆電池的風(fēng)險(xiǎn)， 這會(huì)影響系統(tǒng)安全。安全身份驗(yàn)證可以防止此類(lèi)克隆。

最后，最終用戶希望系統(tǒng)在兩次充電之間長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行（并保持較長(zhǎng)的保質(zhì)期）。 這就是低靜態(tài)電流發(fā)揮作用的地方，它可以最大限度地減少電池電量的浪費(fèi)。

該設(shè)計(jì)解決方案回顧了為運(yùn)動(dòng)相機(jī)供電的挑戰(zhàn)，并介紹了一種高度集成的新型 克服它們的電量計(jì)和保護(hù)IC方法。

SOC 準(zhǔn)確性挑戰(zhàn)

電池 SOC 從零（電池電量耗盡）到 100%（電池充滿）不等，并決定設(shè)備的不受限制的運(yùn)行時(shí)間。 電池建模不當(dāng)?shù)囊粋€(gè)重要后果是SOC不準(zhǔn)確，因此對(duì)運(yùn)行時(shí)間的估計(jì)不佳。 典型運(yùn)動(dòng)相機(jī)使用模型包括處于活動(dòng)狀態(tài)的 70 分鐘（包括 4k 視頻等活動(dòng)） 錄音、WiFi或GPS）和90天處于被動(dòng)狀態(tài)（即假期后躺在柜子里）。如果設(shè)備 在90天內(nèi)，在主動(dòng)模式下消耗1300mA，在被動(dòng)模式下消耗0.1mA，總共消耗1733mAhr， 這只是最先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)相機(jī)的電池容量。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池 SOC 是避免設(shè)備操作意外或過(guò)早中斷所必需的。10% 的 SOC 錯(cuò)誤會(huì)搶劫用戶 173mAhr，相當(dāng)于主動(dòng)使用8分鐘或被動(dòng)狀態(tài)2個(gè)月。

我Q挑戰(zhàn)

雖然應(yīng)用似乎并不關(guān)心靜態(tài)電流，但許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都非常清楚。 關(guān)于保持電池消耗較低以確保設(shè)備在被動(dòng)狀態(tài)下不會(huì)耗盡電池電量，或者 坐在架子上。

被動(dòng)運(yùn)行時(shí)持續(xù)時(shí)間挑戰(zhàn)

除了 SOC 和運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確性之外，運(yùn)行時(shí)持續(xù)時(shí)間也同樣重要。在被動(dòng)模式下，相同 電池可持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá) 24.1 個(gè)月。消耗40μA的典型電量計(jì)將縮短電池被動(dòng)運(yùn)行時(shí)間 大約 6.9 個(gè)月，這不是一個(gè)可以忽略不計(jì)的時(shí)間。

保質(zhì)期挑戰(zhàn)

40μA 靜態(tài)電流在 12 個(gè)月內(nèi)將消耗高達(dá) 346mAh。另一方面，我們的相機(jī)電池很可能 由于運(yùn)輸安全法規(guī)，僅收取30%或520mAh的費(fèi)用。靜態(tài)電流消耗 66% 大約 12 個(gè)月的運(yùn)輸后以及相機(jī)放在倉(cāng)庫(kù)或商店貨架上的剩余電量。

對(duì)于如此高的靜態(tài)電流，有兩種選擇。

一種是在保質(zhì)期內(nèi)保持電量計(jì)“打開(kāi)”，從而保持 SOC 精度但會(huì)損失電量。這個(gè)選擇 導(dǎo)致糟糕的用戶體驗(yàn)，因?yàn)榭蛻舯黄仍谑褂迷O(shè)備之前先為設(shè)備充電。

另一種選擇是關(guān)閉燃油表。現(xiàn)在電荷保留了，但開(kāi)啟時(shí)的SOC不準(zhǔn)確。 電量計(jì)需要幾個(gè)小時(shí)的操作才能重新學(xué)習(xí)電池容量。這里的風(fēng)險(xiǎn)是 用戶可能會(huì)被困在任務(wù)的中間。

安全挑戰(zhàn)

鋰離子/聚合物電池在各種便攜式電子設(shè)備中非常常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅?高能量密度，最小的記憶效應(yīng)和低自放電。但是，必須注意避免過(guò)熱或 對(duì)這些電池過(guò)度充電以防止損壞電池。這有助于避免潛在的危險(xiǎn)結(jié)果或 爆炸性事件。用于停止放電的普通欠壓 （UV） 保護(hù)效率低下，因?yàn)樗赡苁?由太短而無(wú)關(guān)緊要的放電脈沖觸發(fā)。大多數(shù)分立式保護(hù)器不監(jiān)控電池溫度 也。需要采取更復(fù)雜的保護(hù)辦法。

解決方案

例如，圖2中的應(yīng)用是低I。Q帶保護(hù)和 1芯鋰離子/聚合物電池的認(rèn)證。保護(hù)器控制外部高邊 N-FET（圖 2）。 身份驗(yàn)證可防止電池組克隆。電量計(jì)采用Maxim的ModelGauge m5算法。集成電路監(jiān)視器 電壓、電流、溫度和電池狀態(tài)，以確保鋰離子/聚合物電池在 延長(zhǎng)電池壽命的安全條件。燃油表和保護(hù)控制的集成最大限度地減少了BOM 和PCB面積占用。

圖2.電量計(jì)和保護(hù)IC。

非易失性存儲(chǔ)器允許IC存儲(chǔ)電池的電量計(jì)和保護(hù)參數(shù)。它還支持年齡預(yù)測(cè) 以估計(jì)電池壽命。生活史記錄為了解使用情況提供全面的診斷 模式、故障分析和保修退貨。

1線（MAX17311）或2線I?2C （MAX17301） 接口提供數(shù)據(jù)和控制訪問(wèn) 寄存 器。這些 IC 采用無(wú)鉛、3mm x 3mm 14 引腳 TDFN 和 1.7mm x 2.5mm 15 焊球 0.5mm 間距 WLP 封裝。

SOC 精度

ModelGauge m5 算法將庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的短期精度和線性度與長(zhǎng)期 基于電壓的電量計(jì)的穩(wěn)定性。除溫度補(bǔ)償外，它還提供行業(yè)領(lǐng)先的電量計(jì) 準(zhǔn)確性。電量計(jì) IC 可自動(dòng)補(bǔ)償電池老化、溫度和放電速率，并提供 在各種工作條件下以毫安小時(shí) （mAhr） 或百分比 （%） 為單位的精確 SOC。

ModelGauge 無(wú)需檢測(cè)電阻的幫助即可估算電池的開(kāi)路電壓 （OCV），即使 使用電池表征和實(shí)時(shí)仿真對(duì)電池處于負(fù)載狀態(tài)。模型儀表算法使用 SOC 和 OCV 之間的關(guān)系以預(yù)測(cè) SOC（圖 3）。

圖3.基于電壓的電量計(jì)。

帶模型儀表 m5 的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器

由于庫(kù)侖計(jì)數(shù)器ADC失調(diào)誤差，電量計(jì)估計(jì)的SOC會(huì)隨著時(shí)間的推移偏離理想SOC 價(jià)值。但是，通過(guò)使用與庫(kù)侖并行運(yùn)行的內(nèi)部基于OCV（或僅基于電壓）的估計(jì) 相反，電量計(jì)IC補(bǔ)償這些誤差，并使產(chǎn)生的SOC回到正軌。這種情況每時(shí)每都會(huì)發(fā)生 三分之一秒，當(dāng)電池處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)，校正是百分之一的一小部分（幾乎不可見(jiàn)）， 正在充電，甚至空載。這是對(duì)其他解決方案的改進(jìn)，其他解決方案需要等到電池 在空載下完全放松幾個(gè)小時(shí)，然后才能進(jìn)行任何校正。

ModelGauge 每秒校正庫(kù)侖計(jì)數(shù)器誤差三次，每天超過(guò) 200，000 次，步長(zhǎng)為 ~0.00001% （圖4）。

圖4.使用M5型儀表進(jìn)行精確的燃油測(cè)量。

無(wú)需電池表征

ModelGauge m5 EZ 消除了電池特性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用評(píng)估板軟件逐步完成 很少的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，并在短短幾分鐘內(nèi)生成模型，從而大大改進(jìn)了TTM。馬克西姆有 使用 300 多種不同的電池和 3000 次放電運(yùn)行仿真，證明該方法可以產(chǎn)生 在超過(guò) 97% 的測(cè)試用例中，誤差小于 3%。

保質(zhì)期長(zhǎng)

A 7μA IQ（保護(hù)FET關(guān)閉）有助于防止電池在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)期間耗盡電量，并且 實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的保質(zhì)期和運(yùn)行時(shí)間。7μA 靜態(tài)電流在 12 個(gè)月內(nèi)僅消耗約 12% 的電池 剩余電荷與前一種情況的 66% 相比。

或者，IC可以進(jìn)入僅消耗0.5μA I的寄用模式Q，從而延長(zhǎng)保質(zhì)期。它 可以使用多個(gè)選項(xiàng)恢復(fù)正常運(yùn)行，包括在按下按鈕或充電器時(shí)打開(kāi) 連接?；謴?fù)正常運(yùn)行后，電量計(jì)可以立即計(jì)算 SOC 并重新學(xué)習(xí)全部容量 在接下來(lái)的 1 1/2 個(gè)周期內(nèi)電池。

運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)

帶 IQ18μA （FET 導(dǎo)通），電池?zé)o源運(yùn)行時(shí)間從 6.9 個(gè)月縮短到僅 3.7 個(gè)月。

增強(qiáng)安全性

該 IC 集成了高度可編程的鋰離子電池保護(hù)器控制，以防止因異常而損壞 電壓、電流、溫度條件，并保證在廣泛的應(yīng)用中安全充放電。 在同一 IC 上集成保護(hù)和電量計(jì)可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電池安全方法， 同時(shí)防止保護(hù)器誤跳閘。特別是，在很短的時(shí)間內(nèi)估計(jì)SOC的能力 電池電壓驟降允許IC確定是否適合關(guān)斷或繼續(xù)工作。

許多電池制造商建議系統(tǒng)充電器隨著電池老化而降低充電電壓。自 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)微控制器可以讀取電量計(jì)IC的年齡和周期寄存器。

由于系統(tǒng)微控制器正在控制充電器，因此檢測(cè)可能導(dǎo)致充電器 以不安全的方式操作。電量計(jì) IC 具有看門(mén)狗，可檢測(cè)微控制器的異常系統(tǒng)狀況 并通過(guò)進(jìn)入保護(hù)模式來(lái)防止失控的充電器損壞電池。

除了主保護(hù)器外，如果電池容量較大，許多系統(tǒng)制造商還會(huì)實(shí)施輔助保護(hù)器 冗余保護(hù)器。但這種保護(hù)器通常只作用于電壓和電流故障條件。燃油表 可以通過(guò)根據(jù)額外的高度異常溫度和電壓觸發(fā)第二級(jí)保護(hù)器來(lái)補(bǔ)充這一點(diǎn) 條件。這包括當(dāng)它檢測(cè)到主保護(hù)器 FET 發(fā)生故障時(shí)。從本質(zhì)上講，這會(huì)導(dǎo)致 出于安全原因，電池被永久禁用。

所有這些增強(qiáng)功能使系統(tǒng)制造商更容易滿足最新的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，如IEC。 62368-1/UL62368-1。

結(jié)論

我們回顧了與電池 SOC 精度、運(yùn)行時(shí)間、保質(zhì)期和安全性相關(guān)的電量計(jì)挑戰(zhàn)，并引入了新的 高度集成的IC系列和開(kāi)發(fā)協(xié)議可應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。通過(guò)實(shí)施模型儀表 m5 EZ算法，消除了IC的電池特性，大大提高了TTM。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用EV 在短短幾分鐘內(nèi)生成模型的工具包。該算法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)SOC并增強(qiáng)安全性。 最后，電量計(jì) IC 的低靜態(tài)電流可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的保質(zhì)期和更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。集成 電量計(jì)和保護(hù)控制進(jìn)一步提高了安全性，并最大限度地減少了BOM和PCB面積占用。

審核編輯：郭婷