【導(dǎo)讀】穿戴式設(shè)備正在推動(dòng)一個(gè)極具吸引力且成長快速的市場，其中智能手表(Smart Watch)持續(xù)保持主導(dǎo)地位。在這種密集且競爭激烈的環(huán)境下，每一個(gè)制造商都力爭將產(chǎn)品率先投入市場，而消費(fèi)者則需要其裝置具有最精確、最長的電池運(yùn)作時(shí)間(圖1)。本文討論與電池容量管理關(guān)鍵功能密切相關(guān)的要求，并提出一種能夠克服挑戰(zhàn)的顛覆性技術(shù)。
圖1：智能手表發(fā)出充電完成的訊號(hào)。
上市時(shí)間的挑戰(zhàn)
最佳的電池性能依賴于驅(qū)動(dòng)電量計(jì)算法的高精準(zhǔn)度及高質(zhì)量電池模型?；ㄙM(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行客制的特性分析能夠獲得高精準(zhǔn)度的電池性能、最小化電池電量(SOC)的誤差，以及正確預(yù)測電池何時(shí)接近沒電的狀態(tài)。
儲(chǔ)存在電池中的能量(以mAhr為單位)依賴于多種參數(shù)，如負(fù)載和溫度。因此，開發(fā)者必須在各種條件下對電池進(jìn)行特性分析。在選取了與電池行為一致的模型后，即可將其裝載到電量計(jì)芯片。這種嚴(yán)密的監(jiān)控過程能夠?qū)崿F(xiàn)更安全的電池充電和放電。
由于電量計(jì)特性化只能滿足大量生產(chǎn)的客戶，不能顧及所有其他客戶，不僅帶來了上市時(shí)間的問題，也成為制造商發(fā)展的阻礙。傳統(tǒng)上，IC供貨商專注于高產(chǎn)量的應(yīng)用，因?yàn)槟Ｐ瓦x取通常需要大量的實(shí)驗(yàn)室工作，而只有少數(shù)IC供貨商擁有所需的資源。
電池運(yùn)作時(shí)間的挑戰(zhàn)
較差電池模型所帶來的嚴(yán)重后果之一就是運(yùn)作時(shí)間估算不準(zhǔn)確。典型的智能手表使用模型在為期1天的循環(huán)過程中，包括5小時(shí)主動(dòng)狀態(tài)(包括對時(shí)、通知、app使用、音樂播放、通話，以及訓(xùn)練)和19小時(shí)被動(dòng)狀態(tài)(僅對時(shí))。為期1天的循環(huán)中，如果裝置在主動(dòng)模式下的功耗為40mA，在被動(dòng)模式下的功耗為4mA，那么將消耗總共276mAh，正好是典型智能手表電池的大約容量。為避免裝置操作的非預(yù)期或過早中斷，就必須準(zhǔn)確預(yù)測電池運(yùn)作時(shí)間。
運(yùn)作時(shí)間的持續(xù)時(shí)間也同樣重要。被動(dòng)模式下，同一電池可能維持長達(dá)69小時(shí)(276mAh/4mA)。功耗為50μA的典型電量計(jì)將縮短大約52分鐘的電池被動(dòng)運(yùn)作時(shí)間，是不可忽略的時(shí)間量。
EZ解決方案
Maxim Integrated開發(fā)了一種算法，能夠準(zhǔn)確估算電池的充電狀態(tài)，且能夠安全地運(yùn)用在大多數(shù)電池上。該算法在研究了常見鋰電池特性后開發(fā)。
ModelGauge m5 EZ算法(簡稱EZ)采用針對具體應(yīng)用的電池模型，嵌入到電量計(jì)IC內(nèi)部。設(shè)計(jì)師利用評估套件所提供的簡單組態(tài)精靈，可產(chǎn)生電池模型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師只需提供三條訊息：
1.容量(通常會(huì)顯示在電池卷標(biāo)或數(shù)據(jù)表)；
2.沒電時(shí)所對應(yīng)的電池電壓為(依賴于應(yīng)用情形)；
3. 電池充電電壓(是否高于4.275V)。
使用EZ，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不再需要執(zhí)行特性分析，因?yàn)檫@實(shí)際上已由電量計(jì)供貨商完成。
包含在EZ算法中的多種適應(yīng)機(jī)制能夠幫助電量計(jì)學(xué)習(xí)電池特性，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。這樣的算法可保證電池電壓接近沒電時(shí)，電量計(jì)輸出收斂到0%，因此，電量計(jì)能夠在電池電壓達(dá)到?jīng)]電的同時(shí)準(zhǔn)確指示SOC為0%。
如果我們假設(shè)SOC預(yù)測的系統(tǒng)誤差預(yù)算為3%，EZ模型能夠覆蓋95.5%的放電測試用例——非常接近人工定制模型的性能，后者覆蓋97.7%的測試用例。如圖2所示，當(dāng)電池接近沒電時(shí)，EZ方法的表現(xiàn)也是一樣的，這點(diǎn)特別重要。
圖2：EZ系統(tǒng)誤差性能。
對于許多使用者來說，僅知道SOC或剩余電量是不夠的，他們真正想知道的是剩余電量可提供多少運(yùn)作時(shí)間。最簡單的方法，例如將剩余電量除以當(dāng)前或預(yù)期負(fù)載，可能會(huì)造成估算結(jié)果過于樂觀。EZ算法能夠根據(jù)電池參數(shù)、溫度、負(fù)載效應(yīng)，以及應(yīng)用的空電壓，提供精準(zhǔn)度高出很多的剩余運(yùn)作時(shí)間估算結(jié)果。
有了EZ算法，大產(chǎn)量的制造商可將EZ作為快速開發(fā)的起始點(diǎn)；在具有運(yùn)作雛型之后，即可選擇精細(xì)調(diào)諧過的電池模型。而小產(chǎn)量的制造商可利用EZ為電池建立配對模型，并可以兼容絕大多數(shù)電池。
采用ModelGauge m5 EZ的單電池電量計(jì)
EZ算法被內(nèi)建到MAX17055獨(dú)立式單電池電量計(jì)IC中。裝置擁有0.7μA關(guān)機(jī)電流、7μA休眠模式電流和18μA運(yùn)作電流，可理想用于電池供電的穿戴式裝置，還可透過I2C接口存取數(shù)據(jù)和控制緩存器。
系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析
圖3所示為系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。從柱狀圖可以看出，接近電池沒電時(shí)，MAX17055在大多數(shù)測試用例(26個(gè)中的15個(gè))下的誤差在1%以內(nèi)。
圖3：系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。
運(yùn)作時(shí)間精準(zhǔn)度競爭優(yōu)勢
接近沒電時(shí)的低誤差可確保電池電量最佳的使用，最大程度延長運(yùn)作時(shí)間，以及最小化操作裝置的非預(yù)期或過早中斷。
運(yùn)作時(shí)間延長競爭優(yōu)勢
使用具有低靜態(tài)電流的電量計(jì)IC，可有效延長運(yùn)作時(shí)間。MAX17055的靜態(tài)電流為18μA，比最相近競爭裝置的靜態(tài)電流低64%。此外，在低功耗休眠模式下，裝置僅消耗7μA電流。將其應(yīng)用到以上討論的情況，可將受影響的運(yùn)作時(shí)間從52分鐘降低到7分鐘——實(shí)質(zhì)性的性能改善。
總結(jié)
本文重點(diǎn)討論了有效率的電量計(jì)系統(tǒng)中電池建模的重要性，以最大化電池運(yùn)作時(shí)期的精準(zhǔn)度和持續(xù)時(shí)間，還探討了取得高精準(zhǔn)度電池模型的障礙，這一障礙將延長上市時(shí)間、影響低產(chǎn)量電池應(yīng)用的擴(kuò)散。MAX17055內(nèi)建一種以ModelGaugem5EZ算法為基礎(chǔ)的顛覆性方法，使電池系統(tǒng)開發(fā)更快速、更簡單、更具成本效益，并為廣泛的應(yīng)用提供更好得電池性能。
作者：Nazzareno (Reno) Rossetti，Maxim Integrated資深作者；Bakul Damle，移動(dòng)電源事業(yè)管理部總監(jiān)。
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