可穿戴設備亟需更準確的電量計

安森美半導體

可穿戴設備亟需更準確的電量計

安森美半導體

我們當今的生活已和便攜式電子產品密不可分，可穿戴設備作為新的潮流正日漸受到消費者青睞。據Allied Market Research organization的數據，到2020年，可穿戴電子市場每年的價值將超過250億美元，包括智能手表/環、健身追蹤設備、可穿戴醫療等等。

在市場正顯著增長的同時，對這類應用的設計也面臨一些重大挑戰,其中電量計的可靠性相當重要，不可靠的電池計量IC可能導致致命的錯誤。用戶通常通過指示器顯示的剩余電量來判斷設備繼續工作的時間。傳統內置于可穿戴設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%。用戶往往以為設備可以再工作一段時間，而系統卻突然意外關閉，丟失未保存的關鍵數據，為用戶的使用帶來不便。如果這種故障發生在醫療環境，還有可能危及生命。

隨著技術的進步，便攜式/可穿戴設備的外形越來越纖薄，這意味著電池必須提供更大容量的同時，尺寸必須越來越小。從消費者的角度，期望便攜式/可穿戴設備集成更多更豐富功能的同時，能隨時準確告知剩余電量，但這類應用因不斷趨于小外形而導致可用空間受限，添加任意提供電量計量功能的元件都可能增加設備的尺寸、重量，因而設計人員需要考慮使用高能效的元件。

傳統電量計量方案：庫侖計數法

庫侖計數法是最常用的電量計量法，它采用高精度的電流檢測電阻，連續監測電池的輸出電流。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。

圖1　庫侖計數法

庫侖計數法的最大弊端在于其非常不準確，導致意外關機的可能性非常大。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，自放電事件導致環境溫度升高而進一步影響精確度。此外，只有電池每次被充滿電才能取得準確的測量，而事實上電池不是每次都被充滿電。

庫侖計數法不僅不準確，而且由于其需要檢測電阻，導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。

更準確地測量剩余電池電量的更佳方案是采用基于精密的模數轉換(ADC)技術的板載電量計，并在電量計內置誤差校正和溫度補償。

安森美半導體的LC70920XF智能鋰電池電量計IC能夠克服庫侖計數電量計的弊端：結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(RSOC)，即使在相對不穩定的條件下，包括溫度、老化、負載及自放電。

精密的參考電壓對準確的電壓測量至關重要。LC70920XF具有精確的內部參考電壓電路，且這不受溫度影響，它在其存儲器中存儲參考表，其中包括關于電池的電壓/容量、電阻/容量及電阻/溫度功能的數據。

HG-CVR法測量電池電壓、溫度、內部電阻和電池開路電壓(OCV)。OCV是無負載電流的電池電壓。測量的電池電壓分為OCV和隨負載電流變化的電壓。變化的電壓是由負載電流和內部電阻產生。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)是隨負載電流變化的電壓，V(MEAUSRED)是測得的電壓，R(INTERNAL)是電池的內部電阻。內部電阻受剩余電量、負載電流、溫度等因素影響。HG-CVR法在監測電壓后提取電荷(庫侖)，并使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計算。然后，通過不斷檢測到的電壓及溫度與參考表中的值進行比較來計算剩余電池電量。當電池電壓更低時，讀數會更頻繁，以確保在電池剩余使用時間變得更短時作出準確的預測。

不像其他電荷測量法，HG-CVR法能考慮到電池自放電事件，無需將設備的電池充滿電用于校準，即使電池只充電至50%，也可準確地計算電池的剩余使用時間。

如何識別老化？

通過重復放電/充電，電池內部電阻將逐漸增加，滿充容量(FCC)將減少。在庫侖計數法中，通常使用FCC和剩余容量(RM)計算RSOC。

RSOC = RM/FCC×100%

庫侖計數法必須通過學習周期預先測量減少的FCC。而HG-CVR法可測量電池的RSOC而無需學習周期，該方案用來計算電流的內部電池電阻與FCC高度相關。這相關性取決于電池的化學功能。利用這相關性報告的RSOC不受老化的影響。

誤差自動收斂

庫侖計數法的一個問題是誤差隨時間而累積，采用庫侖計數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，庫侖計數法無法檢測準確的剩余變化，因為自放電電流數太小，但HG-CVR法通過電壓信息能準確檢測。

易于快速安裝

一般而言，對電量計來說，獲取多個參數是必要的，這通常耗費大量資源和額外的開發時間。LC70920XF的一個獨特功能是多個配置檔表已內置其中，因而電池測量開始時要準備的參數量非常少，從而簡化設計，加快安裝。

上電復位/電池插入檢測

當LC70920XF檢測到電池插入時，它開始自動上電復位。一旦電池電壓超過復位釋放電壓(VRR)，它將釋放復位狀態并將完成初始化以進入睡眠模式或工作模式。所有寄存器在上電復位后初始化。如果在工作時電池電壓比VRR低很多，LC70920XF也自動執行系統復位。

低功耗

HG-CVR在預設的時間段測量電壓和溫度，無需監測電路持續運行，這使電量計電路能在測量間隔之間使自身進入節能睡眠模式，而且無需檢測電阻，降低有源功耗。

采用HG-CVR法的電量計可以減少所需元件數，降低功耗。以LC709203F為例，它支持設計工程師省去外部電流檢測電阻，采用尺寸為1.76 mm×1.6 mm的緊湊封裝，減小約77.5%的印制電路板尺寸，不僅降低物料單成本和設計時間，還可提升可靠性。而且，由于所需外部元件數更少，LC709203F可顯著降低總功耗，工作電流為15 μA。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

鋰電池容易受到環境條件和環境溫度變化的影響。尤其隨著溫度降至0 ℃以下，電池電阻變化，導致放電電流流動時電池壓降增加。安森美半導體的智能鋰電池電量計LC70920XF內置獨特的校正算法，以確保在寬范圍的環境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內。

智能鋰電池電量計LC709203F的功能如下：采用HG-CVR算法技術，無需外部檢測電阻，測量電池RSOC的誤差低至2.8%，調節電池的寄生電阻，簡化設計；提供低功耗；提供精密的電壓測量；具有精密的定時器；在低RSOC或低電壓時發出警報；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境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內；I2C接口支持達400 kHz的頻率。

結語