如何使用纖巧、超低功耗比較器監(jiān)控小型電池的充電狀態(tài)

當(dāng)今許多便攜式消費(fèi)電子設(shè)備都由小型紐扣或紐扣電池供電。當(dāng)然，用戶期望電池續(xù)航時(shí)間長，電池電量信息可靠。然而，在不顯著影響所述 SOC 的情況下有效監(jiān)控這些電池的健康狀況和充電狀態(tài) （SOC） 可能非常具有挑戰(zhàn)性。在本應(yīng)用筆記中，了解用于小型電池的簡單低功耗監(jiān)測電路如何應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

監(jiān)控電池電壓和溫度

系統(tǒng)工程師在預(yù)算設(shè)計(jì)的功率要求時(shí)是一項(xiàng)重要任務(wù)?？?整個系統(tǒng)，微控制器/微處理器充當(dāng)“大腦”，可靠地管理系統(tǒng)和 執(zhí)行所需的功能。通常耗電的控制器是系統(tǒng)的主力，因此它不會 讓控制器完成所有工作是有意義的。為了防止系統(tǒng)功耗，控制器需要長時(shí)間保持睡眠狀態(tài)，因?yàn)樗鼤ふ褿PI引腳中存在的標(biāo)志。

為了持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能，許多工程師正在轉(zhuǎn)向低功耗電路。這些 電路標(biāo)記微（通常以中斷的形式）以在某些事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行所需的職責(zé)。 監(jiān)測和控制電池供應(yīng)狀態(tài)是它們的另一個關(guān)鍵功能。當(dāng)電池 輸入電壓低于要求，電池放電，需要充電。同樣，當(dāng) 電池輸出高于要求，當(dāng)電池完全充電且不需要時(shí)，可以斷言一個標(biāo)志 進(jìn)一步充電。監(jiān)測電池外殼溫度也很重要，因?yàn)檫@提供了寶貴的見解 進(jìn)入負(fù)載條件、環(huán)境溫度或故障的存在。

具有窗口功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或比較器提供了簡單的監(jiān)控解決方案 電池電壓和溫度。還設(shè)計(jì)了復(fù)雜的電池監(jiān)視器和燃油表 專門用于此功能。但必須謹(jǐn)慎權(quán)衡，保持功率、速度、準(zhǔn)確性、成本和 考慮到外形因素（空間限制）。不同的系統(tǒng)可能需要不同的優(yōu)先級 前述列表，影響整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在檢查電池電壓監(jiān)控和 使用比較器進(jìn)行溫度監(jiān)測，本應(yīng)用筆記首先介紹一些基本但重要的 有關(guān)電池的信息。

二次電池的限制

二次電池或可充電電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)各不相同。這些 反過來，差異決定了比功率（輸送到負(fù)載的最大電流）、壽命和熱 電池單元的穩(wěn)定性。還需要權(quán)衡：比功率越高，越低 安全等級、壽命、成本，反之亦然。

二次電池會磨損，具有充放電生命周期，并具有某些限制，包括：

它們在一段時(shí)間內(nèi)可以為指定范圍的輸出電壓提供的電流量

它們可以吸收的電流量（充電期間）

最大安全電壓（可以充電的電壓等級）

最低安全電壓（可以使用它們的電壓等級）

它們可以承受的熱量或冷量

這些限制中的每一個都會影響電池的使用壽命。不遵守這些條件會導(dǎo)致電池 早點(diǎn)磨損甚至爆發(fā)。上述額定值根據(jù)電池容量而變化，即 與外形尺寸或大小成正比。

便攜式電子產(chǎn)品二次電池

表1顯示了最常見的二次/可充電單節(jié)電池的典型特性。

最大安全工作電壓是指稱為完全充電并準(zhǔn)備就緒的電壓。嘗試收取更多費(fèi)用是可能的，但伴隨著縮短壽命的風(fēng)險(xiǎn)（有時(shí)是災(zāi)難性的）。

最小截止或斷開電壓是假設(shè)電池已耗盡的電壓。將電池電壓降至截止點(diǎn)以下會縮短電池壽命。

循環(huán)壽命和壽命不同。每次電池經(jīng)過循環(huán)充電放電時(shí) 考慮循環(huán)壽命。您對智能手機(jī)充電/放電的頻率越高，您的使用壽命就越短 可以期待。

表 1.二次/可充電單節(jié)電池的典型特性

如表1所示，鋰聚合物的循環(huán)壽命可能較低，但其外形尺寸、重量和 最大-最小額定電壓（電荷密度）具有更多優(yōu)勢。在便攜式電子產(chǎn)品中，鎳合金 通常使用組合電池和鋰離子組合電池。這些類型的應(yīng)用程序很少使用 鉛酸電池，因?yàn)樗鼈兺ǔＬ兀芰恐亓勘龋?。重?fù)的完全放電循環(huán) 對這些電池的化學(xué)特性施加了極大的壓力，從而縮短了它們的使用壽命。雖然他們在其中 最便宜的電池，鉛酸和鎳鎘類型對環(huán)境有害，主要是 用于獨(dú)立/備用電源。

自放電和功率預(yù)算

自放電是指通過內(nèi)部不需要的化學(xué)反應(yīng)降低電池容量。這就是為什么 即使不使用電池，保質(zhì)期也會縮短?？紤]額定值為 1000mAh. 容量速率或 C 速率表示電池放電到最大時(shí)的速率 能力。1C表示電池可以提供1000mA一小時(shí)，直到完全放電。同樣地 0.5C表示電池可以提供500mA電流兩個小時(shí)，直到放電。

在一個月內(nèi)放電1000mAh容量的電池的一個非常合理的近似值是大約

或

放電電流。

因此，每月 1% 容量的自放電（來自表 1）相當(dāng)于放電電流的 1% 0.001388C，即（1000mAh/720小時(shí)）≈14μA。

如果應(yīng)用電路消耗的電流小于放電電流，則電池受保質(zhì)期限制， 不是應(yīng)用電路消耗的電流。MAX40000/MAX40001 （1.11mm x 0.76mm基底面）和MAX40003/MAX40004 （0.73mm x 0.73mm基底面）超低功耗比較器具有內(nèi)部基準(zhǔn) 靜態(tài)電流低于 1μA。較低的靜態(tài)電流與典型的自放電電流相當(dāng) 電池單元的速率，使這些器件成為功耗時(shí)功率監(jiān)控的首選 要求很嚴(yán)格。

具有微功耗比較器的電池狀態(tài) 圖1顯示了監(jiān)視電池狀態(tài)的簡單比較器。比較器輸出電壓從 在充滿電的情況下從高到低，從低到高表示完全放電的電池電壓。 為了產(chǎn)生正確的輸出狀態(tài)，電路采用外部遲滯和選定的閾值來實(shí)現(xiàn)。

圖1.具有遲滯功能的比較器，用于指示“充電”和“放電”電池電壓。

所示比較器是具有內(nèi)部基準(zhǔn)的纖小尺寸器件，消耗900nA靜態(tài)電流。 使用大值電阻實(shí)現(xiàn)電路可確?？偣ぷ麟娏髋c 電池單元的典型自放電率。該電路采用低至 1.7V 的電源電壓工作 并且需要小于 2μA 的電源電流。這確保了，即使對于剩余電量最小的電池 充電后，電路仍產(chǎn)生正確的輸出狀態(tài)。

表2提供了實(shí)現(xiàn)V跳變點(diǎn)的典型元件值.BAT（五H->L和 VL->H） 電池監(jiān)控。

表 2.電池監(jiān)控的典型組件值 （VDD= V上拉= 1.8V， V黨衛(wèi)軍= 接地）

表2提供了實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的典型特征元件值。 與表1相比，確定的閾值提供了更窄的滯后帶，從而允許更多 用于部件公差和變化的緩沖。整個電路在跳變點(diǎn)上提供 ±1% 的精度和 0.5% 的跳變點(diǎn)精度 圖1所示電路的容差電阻。為了獲得更好的精度性能，更嚴(yán)格的電阻容差 被使用。

鋰離子/鎳鎘電池電壓監(jiān)測 MAX9065為單芯片方案，用于監(jiān)測
電池電壓。它具有兩個內(nèi)部比較器，帶有內(nèi)部基準(zhǔn)和電阻串，以形成一個窗口比較器。它所需要的只是將電池輸出連接到IN和VCC輸入端。此外，該器件可執(zhí)行低至 1.0V 的電源輸入。這使得即使電池超過放電電壓，應(yīng)用程序也能工作。 該器件有兩種類型：MAX9065E和MAX9065A。MAX9065E監(jiān)測單節(jié)鋰離子電池，MAX9065A提供鎳鎘電池監(jiān)測。

圖2顯示了解決鋰離子和鎳鎘電池監(jiān)控問題的雙通道比較器方法。適當(dāng)?shù)穆眯?內(nèi)部設(shè)置的點(diǎn)可減少元件數(shù)量和面積，精度為 ±1%。

圖2所示的應(yīng)用電路功耗小于1μA，只需1.0V電源輸入即可工作，因此即使電池超過放電電壓，應(yīng)用也可以工作。

圖2.使用MAX9065監(jiān)測鋰離子、鎳鎘電池。

溫度監(jiān)測器

過高的溫度通常預(yù)示著問題，并可能永久損壞電子設(shè)備。有 各種潛在原因，包括環(huán)境溫度高、功耗過高或電池不正確 充電/放電。撇開原因不談，每當(dāng)溫度過高時(shí)，系統(tǒng)都應(yīng)關(guān)閉 保護(hù)。

圖3所示為采用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的MAX40004 th的簡單電路 用于監(jiān)控器件溫度的熱敏電阻。它通常放置在靠近電池組的地方，以確保其 環(huán)境溫度非常接近電池的溫度。

NTC熱敏電阻的電阻與溫度成反比。例如，100kΩ標(biāo)稱熱敏電阻 +25°C時(shí)容差為0.5%時(shí)為100kΩ，但在+85°C時(shí)，其相應(yīng)電阻約為8.8kΩ。R1 是 1.08MΩ，R2為120kΩ。在+85°C時(shí)，比較器同相輸入端的電壓剛好足以使 輸出為低電平。該器件的內(nèi)部遲滯提供 15°C 遲滯，以降低對噪聲的敏感性。

圖3所示的比較器采用節(jié)省空間的4焊球WLP，所需電流小于500nA 靜態(tài)電源電流。該應(yīng)用的總電源電流消耗低于 2μA。

圖3.使用MAX40004進(jìn)行溫度監(jiān)測

總結(jié)

電池監(jiān)控和保護(hù)電路需要很少或不需要功率預(yù)算，可以在 移動和可穿戴電子設(shè)備。

審核編輯：郭婷