讓電池電量計(jì)更精確

摘要：本文介紹一種新的高精度技術(shù)用于電池電量計(jì)，可幫助手機(jī)和其它便攜式設(shè)備用戶避免系統(tǒng)意外關(guān)閉的不便和無奈。

　　電池供電的移動(dòng)設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦已為現(xiàn)代生活所必需。例如，當(dāng)今智能手機(jī)提供人們每天需多次使用的許多功能：發(fā)電郵、發(fā)短信、GPS、拍照、日歷、記事本、多媒體播放器，甚至?xí)r不時(shí)的電話。用戶通常需要在低電量時(shí)繼續(xù)操作他們的設(shè)備，如果即使顯示還剩百分之幾的電量，系統(tǒng)突然關(guān)閉，可能帶來不便。同樣，許多筆記本電腦用戶，已經(jīng)歷過在筆記本電腦為保護(hù)電池而比預(yù)期更快關(guān)機(jī)后，丟失未保存的工作的沮喪。

　　考慮到隨時(shí)準(zhǔn)確知曉電池剩余電量對用戶的重要性，精確的電池“電量計(jì)”極其重要。但是通常用于便攜式設(shè)備的庫倫計(jì)數(shù)技術(shù)不僅不準(zhǔn)確，導(dǎo)致意外關(guān)機(jī)的可能性非常大，而且受制于溫度相關(guān)的誤差，并消耗寶貴的電池電量，而將這些電量用來為其它功能電路供電可能更好。

1 庫倫計(jì)數(shù)電量計(jì)

　　庫侖計(jì)數(shù)使用一個(gè)高精度的電流檢測電阻來監(jiān)測電池不斷輸出的電流。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。

　　從根本上說庫倫計(jì)數(shù)是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樗鼰o法檢測電池自放電事件，因自放電電流未流過庫倫計(jì)數(shù)的檢測電阻。而且，自放電事件往往升高環(huán)境溫度，改變檢測電阻阻抗從而進(jìn)一步影響精確度。此外，電池每次必須充滿電以便精確校準(zhǔn)。

　　庫倫計(jì)數(shù)更多的缺點(diǎn)包括精密檢測電阻相對高的成本，以及當(dāng)檢測電流持續(xù)流過被這電阻消耗的寶貴的電池電量。

　　庫倫計(jì)數(shù)精確度約8%左右。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%。對筆記本用戶來說，這帶來在工作中丟失未保存文件的切實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。在智能手機(jī)中，因系統(tǒng)關(guān)閉非必需的功能而可能導(dǎo)致通話中斷或功能丟失。由于如此不準(zhǔn)確的水平，用戶可能在即使指示器顯示還有20%左右剩余電量時(shí)就開始擔(dān)心電池剩余的使用時(shí)間。對顯示的電池使用時(shí)間驟降的擔(dān)心，只會增加對狀態(tài)信息的不信任感。

　　當(dāng)市場耐心等待電池技術(shù)的改進(jìn)(或事實(shí)上不甘現(xiàn)狀)，設(shè)備設(shè)計(jì)工程師構(gòu)思日益復(fù)雜的電源管理方案，以節(jié)省每一個(gè)可能報(bào)廢的電池電量時(shí)，電量計(jì)為用戶提供準(zhǔn)確的讀數(shù)，同時(shí)它本身消耗盡可能少的電池電量是極其重要的。

2 更好的方法

　　安森美半導(dǎo)體已開發(fā)出專利方法HG-CVR(通過使用內(nèi)部阻抗探測電流-電壓的混合計(jì)量法)，根據(jù)使用精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測得的電池電壓計(jì)算電池剩余電量。圖1所示為基本應(yīng)用電路，顯示使用這技術(shù)的一個(gè)電量計(jì)系統(tǒng)的主要功能模塊。

　　描述被監(jiān)測的電池技術(shù)的電壓與電量的關(guān)系特性的參考表被存于內(nèi)存中。通過比較測到的電壓與存于表中的值，可計(jì)算出電池剩余電量。圖2說明了原理：如果測得的電壓為4.0 V，與參考表的比較表明電池電量剩余75%。

　　在已知的時(shí)間間隔重復(fù)測量電壓。電池溫度也被監(jiān)控。根據(jù)電壓和溫度測量，和在已知的時(shí)間間隔記錄的電壓變化，就可計(jì)算出電池電量將完全耗盡前的剩余時(shí)間。當(dāng)電池電壓更低時(shí)，讀數(shù)會更頻繁，以確保當(dāng)電池剩余的使用時(shí)間變得更短時(shí)的準(zhǔn)確的預(yù)測。

　　這種方法通過測量電池組電壓，能考慮到電池自放電事件。而且，電池?zé)o需充滿電就能校準(zhǔn)。即使電池只充電到50%，也可準(zhǔn)確計(jì)算電池剩余使用時(shí)間。

　　由于測量間隔，監(jiān)測電路無需持續(xù)運(yùn)行。這使電量計(jì)電路能在測量之間進(jìn)入節(jié)能睡眠模式。與傳統(tǒng)的庫倫計(jì)數(shù)相比，這種方法因無需檢測電阻因而降低運(yùn)行能耗。

3 溫度補(bǔ)償

　　眾所周知，在低環(huán)境溫度下工作對鋰電池性能有顯著影響。特別地，隨著溫度降至0℃以下，電池阻抗變化，導(dǎo)致當(dāng)放電電流流動(dòng)時(shí)電池壓降增加。安森美半導(dǎo)體已在其LC709203F電池電壓檢測電量計(jì)IC中添加獨(dú)特的校正算法。這算法有助于確保電量計(jì)在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的精度保持在2.8%以內(nèi)。

　　為比較使用安森美半導(dǎo)體的LC709203F的電量計(jì)量法和庫倫計(jì)數(shù)電路的性能，裝有新電池的智能手機(jī)自適應(yīng)以支持正負(fù)極電池連接，電池組的輸出熱敏電阻被連接至LC709203F，同時(shí)使智能手機(jī)的內(nèi)置電量計(jì)能繼續(xù)運(yùn)行。數(shù)據(jù)記錄器用來記錄內(nèi)置電量計(jì)的輸出，這通過智能手機(jī)的I2C總線和LC709203F的輸出來監(jiān)測。智能手機(jī)被置于一個(gè)0℃的恒溫容器中，開啟背光，運(yùn)行于飛行模式。圖3所示為實(shí)驗(yàn)裝置。

　　圖4所示為比較的結(jié)果。使用LC709203F在測試期內(nèi)達(dá)到的精度高于2.8%，電池剩余電量最低水平高于2%。標(biāo)準(zhǔn)的電量計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行具有不同程度的誤差，當(dāng)電池電量即將耗盡時(shí)，達(dá)到高于6%的最高水平。從用戶角度來講，希望當(dāng)電池電量更低時(shí)有更高精度，以便預(yù)測設(shè)備可能關(guān)閉的時(shí)間。

4 尺寸和省電

　　LC709203F支持只需一個(gè)外部元器件的高能效電量計(jì)量，而替代的器件可能需要2-5個(gè)或多達(dá)14個(gè)額外元器件，這大大節(jié)省物料單成本和設(shè)計(jì)時(shí)間，還提升可靠性。而且，1.76mm x 1.6mm的封裝較替代器件小45%。結(jié)合減少的元器件數(shù)，這使電量計(jì)電路的整體線路板(PCB)面積將減少約77%。這對智能手機(jī)設(shè)計(jì)工程師可能代表了一個(gè)關(guān)鍵的好處，他們持續(xù)奮戰(zhàn)于嵌入所有設(shè)計(jì)元素以提供消費(fèi)者想要的功能和用戶接口，留給元器件更小的空間使這一切成為現(xiàn)實(shí)。

　　總功耗也更低。LC709203F工作電流為15 μA，約為相似的競爭器件118 μA的1/10。除了運(yùn)行時(shí)的消耗改進(jìn)超過87%，LC709203F在睡眠模式下最高消耗60%的電流。

5 結(jié)論

　　傳統(tǒng)的庫倫計(jì)數(shù)電池電量計(jì)具有相對較差的精度，使當(dāng)今用戶在使用他們的移動(dòng)設(shè)備時(shí)容易受到不便的中斷，特別是當(dāng)工作接近電池剩余電量極限時(shí)。新技術(shù)使用精密的電池電壓檢測，內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償，確保一個(gè)更精確、具成本效益和節(jié)能的方案，將使用戶能更有效地管理他們的移動(dòng)電池。