【導(dǎo)讀】高精度電池電量狀態(tài)(SOC)、長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間和儲(chǔ)存期限以及安全性是設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備時(shí)的關(guān)鍵考慮事項(xiàng)。新型、高度集成電量計(jì)IC家族解決了這些電池相關(guān)的難題。通過ModelGauge™ m5 EZ算法，MAX17301省去了電池特征分析過程，大大改善上市時(shí)間(TTM)。該算法能夠高精度預(yù)測(cè)SOC以及增強(qiáng)安全性。此外，IC的低靜態(tài)電流允許較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期限和較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。電量計(jì)和保護(hù)控制的集成，增強(qiáng)了安全性，最大程度減少材料清單(BOM)和PCB面積。
引言
傳統(tǒng)電量計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，要想獲得最佳的電池SOC精度就要求對(duì)特定應(yīng)用條件下的每個(gè)電池進(jìn)行全面的特征建模和分析(圖4)。這就使其難以滿足快速TTM目標(biāo)，因?yàn)榭蛻舯仨氁醋约哼M(jìn)行復(fù)雜的特征分析，要么將電池發(fā)送給電量計(jì)廠商。最新版本的鋰離子電池運(yùn)輸安全規(guī)范(例如UN 38.3)將物流工作變得非常麻煩。在收到電池之后，電量計(jì)廠商需要花費(fèi)2至3周的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試以及分析結(jié)果。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還必須解決與鋰離子電池操作相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)，處置不當(dāng)就會(huì)造成災(zāi)難性后果。符合IEC/UL 62368-1等安全標(biāo)準(zhǔn)越來越重要。電子設(shè)備的保護(hù)又為電池管理過程增加了額外的復(fù)雜性。
對(duì)于大批量應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還必須降低售后市場(chǎng)克隆電池的安全風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)影響系統(tǒng)安全性。安全認(rèn)證器可防止此類克隆行為。
最后，最終用戶希望系統(tǒng)能夠在兩次充電之間運(yùn)行較長(zhǎng)的時(shí)間(以及保證較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期限)。這時(shí)候低靜態(tài)電流就非常重要，可最大程度減少電池電量的浪費(fèi)。
本設(shè)計(jì)方案回顧了運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)(圖1)供電面臨的挑戰(zhàn)，并提出一種能夠克服此類困難的創(chuàng)新、高度集成的電量計(jì)和保護(hù)IC方法。
圖1. 工作中的運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)。
SOC精度挑戰(zhàn)
電池SOC在0 (電池空電)到100% (電池滿電)之間變化，并決定設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。電池模型較差帶來的嚴(yán)重后果之一就是SOC不準(zhǔn)確，進(jìn)而造成估算的運(yùn)行時(shí)間不準(zhǔn)確。典型運(yùn)動(dòng)攝像的用例模型包括70分鐘的活躍狀態(tài)(包括4k視頻錄像、WiFi或GPS等活動(dòng))和90天的不活躍狀態(tài)(例如假期過后束之高閣)。如果設(shè)備在活躍模式下的耗流為1300mA，在為期90天的不活躍模式下的耗流為0.1mA，那么將消耗總共1733mAh，正好是最新型運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)電池的大致容量。為避免設(shè)備意外或過早停止工作，就必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池SOC。10%的SOC誤差就會(huì)造成173mAhr的偏差，相當(dāng)于8分鐘的活躍時(shí)間或2個(gè)月的不活躍狀態(tài)。
The IQ 挑戰(zhàn)
雖然看起來有些應(yīng)用好像不太在乎靜態(tài)電流，但是許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師非常注意將電池漏流保持最小，以確保設(shè)備在不活躍狀態(tài)或儲(chǔ)存期間不會(huì)耗盡電池電量。
非活躍運(yùn)行時(shí)間周期挑戰(zhàn)
除SOC和運(yùn)行時(shí)間精度外，運(yùn)行時(shí)間周期也同樣重要。在非活躍模式下，相同電池可能維持長(zhǎng)達(dá)24.1個(gè)月。功耗為40µA的典型電量計(jì)將縮短大約6.9個(gè)月的電池非活躍狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間，這是不可忽略的時(shí)間量。
儲(chǔ)存期限挑戰(zhàn)
A 40µA 靜態(tài)電流時(shí)，12個(gè)月將耗費(fèi)可觀的346mAh。另一方面，由于運(yùn)輸安全規(guī)范的原因，攝像機(jī)電池在運(yùn)輸時(shí)可能只有30%或520mAh的電量。在攝像機(jī)經(jīng)過運(yùn)輸以及存放在倉庫或貨架上12個(gè)月之后，靜態(tài)電流將耗費(fèi)剩余電量的66%。
面臨如此高的靜態(tài)電流，有兩個(gè)選擇。
一種選擇是儲(chǔ)存期間保持電量計(jì)“打開”，從而保證SOC精度但損失電量。該項(xiàng)選擇會(huì)造成用戶體驗(yàn)較差，因?yàn)榭蛻粼谑褂迷O(shè)備之前必須對(duì)其進(jìn)行充電。
另一種選擇是關(guān)閉電量計(jì)。此時(shí)能夠節(jié)省電量，但開機(jī)時(shí)的SOC不準(zhǔn)確。電量計(jì)需要經(jīng)過幾小時(shí)的時(shí)間才能重新學(xué)習(xí)電池容量狀態(tài)。此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)是用戶可能在某個(gè)任務(wù)中途遇到問題。
安全挑戰(zhàn)
鋰離子/聚合物電池由于具有極高的能量密度、最小的記憶效應(yīng)和較低自放電，在各種便攜式電子設(shè)備中非常普及。但是必須小心謹(jǐn)慎避免此類電池過熱或過充，以防損壞電池。這有助于避免危險(xiǎn)隱患或爆炸事故。用普通的欠壓(UV)保護(hù)來停止放電，這樣效果不佳，因?yàn)樗赡鼙缓芏痰姆烹娒}沖觸發(fā)。而大多數(shù)分立式保護(hù)器不監(jiān)測(cè)電池溫度。因此，我們需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋Ｗo(hù)方法。
解決方案
以圖2所示的低IQ獨(dú)立式電池側(cè)電量計(jì)IC為例，器件帶有保護(hù)和安全認(rèn)證，適用于單節(jié)鋰離子/聚合物電池。保護(hù)器控制外部高邊N-FET (圖2)。安全認(rèn)證可防止電池組克隆。電量計(jì)采用Maxim的ModelGauge m5算法。IC監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度和電量狀態(tài)，確保鋰離子/聚合物電池工作在安全條件，有效延長(zhǎng)電池壽命。電量計(jì)和保護(hù)控制的集成，可以最大程度減少BOM和PCB面積。
圖2. 電量計(jì)和保護(hù)IC。
非易失存儲(chǔ)器允許IC儲(chǔ)存電池的電量計(jì)和保護(hù)參數(shù)，也支持老化預(yù)測(cè)，以估算電池壽命。壽命歷史記錄功能提供全面的診斷，可以用于了解使用模式、失效分析以及返廠保修。
通過 1-Wire® (MAX17311) 或2線 I2C (MAX17301) 接口訪問數(shù)據(jù)和控制寄存器。IC采用無鉛、3mm x 3mm、14引腳TDFN封裝和1.7mm x 2.5mm、15焊球、0.5mm焊距WLP封裝。
SOC精度
ModelGauge m5算法既有庫侖計(jì)出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計(jì)出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。算法采用溫度補(bǔ)償，提供業(yè)界領(lǐng)先的電量計(jì)量精度。電量計(jì)IC在較寬的工作條件下自動(dòng)補(bǔ)償電池老化、溫度和放電率，并以毫安時(shí)(mAh)或百分比(%)提供精確的SOC。
ModelGauge算法利用電池特性和實(shí)時(shí)仿真估算電池的開路電壓(OCV)，即使電池帶載時(shí)也無需檢測(cè)電阻的幫助。ModelGauge算法利用SOC和OCV之間的關(guān)系預(yù)測(cè)SOC (圖3)。
圖3. 基于電壓的電量計(jì)。
帶有ModelGauge m5的庫倫計(jì)
由于庫倫計(jì)ADC的失調(diào)誤差，電量計(jì)估算的SOC會(huì)隨著時(shí)間推移而偏移理想SOC值。但是，通過使用內(nèi)部基于OCV (或僅基于電壓)的估算，使其與庫倫計(jì)并行工作，電量計(jì)IC可補(bǔ)償這些誤差，使最終的SOC結(jié)果回到正軌。該操作每秒執(zhí)行三次，在電池帶載、充電甚至空載時(shí)，修正所占百分比非常小(幾乎不可見)。這是相對(duì)于其他方案的改進(jìn)，其他方案需要等待，直到電池在空載狀態(tài)下完全空閑，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)后才能進(jìn)行任何修正。
ModelGauge每秒對(duì)庫侖計(jì)誤差進(jìn)行三次修正，每天超過200,000次，采用步長(zhǎng)大約0.00001% (圖4)。
圖4. 采用ModelGauge M5算法的高精度電量計(jì)。
不要求針對(duì)特定電池特征建模
ModelGauge m5 EZ無需對(duì)電池進(jìn)行特征分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可利用評(píng)估軟件逐步了解幾項(xiàng)應(yīng)用的詳細(xì)信息，并在短短幾分鐘內(nèi)生成模型，最終大大改進(jìn)TTM。Maxim已經(jīng)利用300多種不同電池以及3000次放電進(jìn)行了仿真，證明該方法在97%以上的測(cè)試用例下的誤差可低至3%。
長(zhǎng)儲(chǔ)存期限
A 7µA的 IQ (保護(hù)FET關(guān)斷) 有助于防止電池在較長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下漏電，支持較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期限和運(yùn)行時(shí)間。靜態(tài)電流為7µA時(shí)，12個(gè)月僅消耗大約電池剩余電量的12%，而之前則消耗66%。
IC也可以置于運(yùn)輸模式，IQ僅為 0.5µA , 儲(chǔ)存期限更長(zhǎng)?？衫枚喾N方法恢復(fù)常規(guī)操作狀態(tài)，包括按下按鈕將其打開，或者連接充電器。在恢復(fù)常規(guī)操作狀態(tài)時(shí)，電量計(jì)可立即計(jì)算SOC，以及在接下來的1½循環(huán)內(nèi)重新學(xué)習(xí)電池的滿電量狀態(tài)。
長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間
IQ 為 18µA(FET導(dǎo)通) 時(shí)，電池的非活躍運(yùn)行時(shí)間從6.9個(gè)月下降為只有3.7個(gè)月。
增強(qiáng)安全性
IC集成高度可編程保護(hù)器控制，防止鋰離子電池被異常電壓、電流、溫度條件所損壞，并確保在較寬范圍應(yīng)用下安全地充電和放電。將保護(hù)和計(jì)量集成到同一片IC，支持實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾姵匕踩Ｗo(hù)，同時(shí)防止保護(hù)器滋擾跳閘。尤其是能夠在極短的電池電壓暫降期間估算SOC，使IC能夠確定是否應(yīng)該關(guān)斷或繼續(xù)操作。
許多電池制造商建議系統(tǒng)充電器隨著電池老化而降低充電電壓。為實(shí)現(xiàn)這一目的，系統(tǒng)微控制器可讀取電量計(jì)IC的老化和循環(huán)次數(shù)寄存器。
由于系統(tǒng)微控制器用來控制充電器，所以檢測(cè)可能會(huì)造成充電器工作方式不安全的突然死機(jī)非常重要。電量計(jì)IC具有看門狗，能夠檢測(cè)微控制器的異常系統(tǒng)狀態(tài)，通過進(jìn)入保護(hù)模式防止失控的充電器損壞電池。
除主保護(hù)器外，如果電池容量較大，許多系統(tǒng)制造商采用輔助保護(hù)器作為冗余。但是此類保護(hù)器通常僅適用于電壓和電流故障條件。電量計(jì)可根據(jù)附加的溫度和電壓嚴(yán)重異常條件觸發(fā)2級(jí)保護(hù)器，從而完善這一點(diǎn)。包括當(dāng)檢測(cè)到主保護(hù)器FET已經(jīng)失效時(shí)。這基本上會(huì)造成電池因?yàn)榘踩蚨谰媒谩?/div>
所有這些增強(qiáng)功能使系統(tǒng)制造商能夠更容易地滿足最新的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 62368-1/UL62368-1。
總結(jié)
我們回顧了電量計(jì)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，包括電池SOC精度、運(yùn)行時(shí)間、儲(chǔ)存期限和安全性等方面，提出一種新型、高度集成的IC家族，以及解決這些挑戰(zhàn)的方法。通過部署ModelGauge m5 EZ算法，IC省去了電池特征分析過程，大大改善TTM。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可利用評(píng)估套件在短短幾分鐘內(nèi)生成模型。該算法能夠高精度預(yù)測(cè)SOC以及增強(qiáng)安全性。最后，電量計(jì)IC的低靜態(tài)電流允許較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期限和較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。電量計(jì)和保護(hù)控制的集成，進(jìn)一步提高了安全性，最大程度減少BOM和PCB面積。
術(shù)語
● OCV: 開路電壓
● SOC: 電量狀態(tài)。在0 (電池空電)到100%/mAhr (電池滿電)之間變化。
● Runtime: SOC允許的工作時(shí)間。
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