安森美–更準確的電量計採用內部電阻跟蹤電流-電壓用於穿戴式裝置

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我們當今的生活已和可攜式電子產品密不可分,穿戴式裝置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,包括智慧手錶/環、健身追蹤裝置、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: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餘電量來判斷裝置繼續工作的時間。傳統內置於穿戴式裝置的電量計可提供的精確度約±8%。因此如果指示器顯示剩餘電量為10%,那麼實際值可能低至2%。用戶往往以為裝置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和工作,為用戶的使用帶來不便。試想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,可攜式/穿戴式裝置的外形越來越纖薄,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,期望可攜式/穿戴式裝置整合更多更豐富功能的同時,能隨時準確告知剩餘電量,但這類應用因不斷趨於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裝置的尺寸、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,它採用高精度的電流檢測電阻,連續監測電池的輸出電流。電流隨時間而整合,並將結果與已知的最大電量進行比較,以計算可用的剩餘電量。

圖1:庫侖image001計數法

庫侖計數法的最大弊端在於其非常不准確,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。

庫侖計數法不僅不准確,而且由於其需要檢測電阻,導致成本增加並佔用更大的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。

基於內部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計量法

更準確地測量剩餘電池電量的更佳的方案是採用基於精密的模數轉換(ADC)技術的板載電量計,並在電量計內置誤差校正和溫度補償。

安森美半導體的LC70920XF智慧鋰電池電量計IC 克服庫侖計數電量計的弊端,解決上述設計挑戰: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並節省寶貴的PCB空間。

LC70920XF基於稱為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,它存儲參考表在其記憶體中,其中包括關於電池的電壓/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。那麼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。內部電阻受剩餘電量、負載電流、溫度等因素影響。HG-CVR法在監測電壓後提取電荷(庫侖),並使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計算。

然後,通過不斷將測到的電壓及溫度與參考表中的值進行比較來計算剩餘電池電量。當電池電壓更低時,讀數會更頻繁,以確保在電池剩餘使用時間變得更短時的準確的預測。

不像其他電荷測量法,HG-CVR法能考慮到電池自放電事件,無需將裝置的電池充滿電用於校準,即使電池只充電至50%,也可準確地計算電池的剩餘使用時間。

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圖2:安森美半導體專利的HG-CVR法

如何識別老化?

通過重複放電/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和剩餘容量(RM)計算RSOC。
RSOC = RM/FCC ×100%

庫侖計數法必須通過學習週期預先測量減少的FCC。而HG-CVR可測量電池的RSOC而無需學習週期,該方案用來計算電流的內部電池電阻與FCC高度相關。這相關性取決於電池的化學功能。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,採用庫侖計數法的電量計必須找機會校正它。採用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餘變化,因為自放電
電流數太小,但HG-CVR法通過電壓資訊能準確檢測。

易於快速安裝

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。

上電複位/電池插入檢測

當LC70920XF檢測到電池插入,它開始自動上電複位。一旦電池電壓超過複位釋放電壓(VRR),它將釋放複位狀態並將完成初始化以進入睡眠模式或工作模式。所有寄存器在上電複位後初始化。如果在工作時電池電壓比VRR低很多,LC70920XF也自動執行系統複位。

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。

採用HG-CVR法的電量計減少所需元件數,降低功耗。以LC709203F為例,它比競爭方案少4倍外部元件數,支持設計工程師省去外部電流檢測電阻,採用尺寸為1.76mm x 1.6mm的緊湊封裝,減小約77.5%的印製電路板尺寸,較競爭方案小約45%,不僅降低物料單成本和設計時間,還提升可靠性。而且,由於所需外部元件數更少,LC709203F可顯著降低總功耗,工作電流15 uA, 約競爭元件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°C以下,電池電阻變化,導致放電電流流動時電池壓降增加。安森美半導體的智慧鋰電池電量計LC70920XF內置獨特的校正演算法,以確保在寬範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。

智慧鋰電池電量計LC709203F概覽
1.功能
• 採用HG-CVR演算法技術: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,這溫度補償有助於確保電量計在寬範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介面支持達400 kHz頻率

2.主要電氣參數
參數 條件 規格 單位
VDD[V] 最小值 典型值 最大值
消耗電流 正常模式 2.5至4.5 15 26 μA
睡眠模式 2.5至4.5 0.2 4
電壓測量精度 Ta=+25℃ 3.6 -7.5 +7.5 mV/cell
Ta=-20℃至+70℃ 2.5至4.5 -20 +20

3. 模組圖及引腳分配
LC709203F可採用WDFN8和WLCSP9兩種封裝方式,其模組圖如圖3 所示。其中,
TEST引腳:連接至VSS
VSS引腳:連接至電池負極
VDD引腳:連接至電池正極
ALARMB引腳:通過低輸出(開漏)指示報警,上拉必須在外部完成,報警條件由寄存器指定,未使用時該引腳連接至VSS。如果電池剩餘電荷降至低於設定值或低於設定電壓,將通過開漏內置FET拉低ALARMB輸出
TSW引腳:熱敏電阻電源輸出。在讀取溫度值時,該引腳為高電平。TSW電阻值(針對上拉熱敏電阻)必須與熱敏電阻值相同
TSENSE引腳:熱敏電阻輸入。如果您將這引腳連接到熱敏電阻,其間需插入100 Ω電阻用於ESD
SDA引腳:I2C數據引腳(開漏)。上拉必須在外部完成
SCL引腳:I2C時鐘引腳(開漏)。上拉必須在外部完成

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圖3:LC709203F模組圖

需要注意的是,在不使用時必須將TSW和TSENSE引腳斷開連接。

4.關於電氣功能及線路佈局的說明
1). 由於I2C地址是固定的,需確保其他元件不使用相同的地址
2). 元件從上電算起的初始化時間在80 ms以內
3). 如果通過I2C初始化(初始的RSOC),那麼開始讀取電池值在2 ms後
4). 如果電源施加到VDD和VSS,電池值將保持穩定,無論使能/禁用寄存器的狀態
5). 盡可能靠近IC端連接VDD和VSS間的電容(1 μF)
6). 在不使用alarm功能時,只需將alarm端與VSS連接,無需上拉電阻

總結

穿戴式裝置需要更準確、更低功耗和更小尺寸的電量計,安森美半導體的智慧鋰電池電量計LC70920XF克服傳統庫侖計數電量計的弊端,採用專利的HG-CVR 法,內置誤差校正和溫度補償,更精准地計量電池的剩餘電量,讓穿戴式裝置用戶隨時準確知曉電池的剩餘使用時間,不再因系統意外關機而困擾。由於該方案省去檢測電阻,因而減少外部元件數,且功耗屬業界最低,為用戶提供更準確、更小尺寸、更高能效的功能。 

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