更准确的电量计采用内部电阻跟踪电流-电压用于可穿戴设备

来源：安森美半导体公司

我们当今的生活已和便携式电子产品密不可分，可穿戴设备作为新的潮流正日渐受到消费者青睐。据Allied Market Research organization的数据，到2020年，可穿戴电子市场每年的价值将超过250亿美元，包括智能手表/环、健身追踪设备、可穿戴医疗等等。

在市场正显著增长的同时，对这类应用的设计也面临一些重大挑战：电量计的可靠性相当重要，不可靠的电池计量IC可能导致致命的错误。用户通常通过指示器显示的剩余电量来判断设备继续工作的时间。传统内置于可穿戴设备的电量计可提供的精确度约±8%。因此如果指示器显示剩余电量为10%，那么实际值可能低至2%。用户往往以为设备可以再工作一段时间，而系统却突然意外关闭，丢失未保存的关键数据和工作，为用户的使用带来不便。试想如果这种故障发生在医疗环境，还有可能危及生命。

随着技术的进步，便携式/可穿戴设备的外形越来越纤薄，这意味着电池必须提供更大容量的同时，尺寸必须越来越小。从消费者的角度，期望便携式/可穿戴设备集成更多更丰富功能的同时，能随时准确告知剩余电量，但这类应用因不断趋于小外形而导致可用空间受限，添加任意提供电量计量功能的元件都可能增加设备的尺寸、重量，因而设计人员需要考虑使用高能效的元件。

传统电量计量方案：库仑计数法

库仑计数法是最常用的电量计量法，它采用高精度的电流检测电阻，连续监测电池的输出电流。电流随时间而集成，并将结果与已知的最大电量进行比较，以计算可用的剩余电量。


图1：库仑计数法

库仑计数法的最大弊端在于其非常不准确，导致意外关机的可能性非常大。因为电池的自放电电流不流过外部检测电阻，所以它不能被检测到。而且这种自放电电流受电池温度的影响，自放电事件导致环境温度升高而进一步影响精确度。此外，只有电池每次被充满电才能取得准确的测量，而事实上电池不是每次都被充满电。

库仑计数法不仅不准确，而且由于其需要检测电阻，导致成本增加并占用更大的PCB空间，而检测电流流过检测电阻会消耗额外的电池电量，干扰主电池性能，增加功率损耗。

基于内部电阻跟踪电流-电压(HG-CVR)的混合计量法

更准确地测量剩余电池电量的更佳的方案是采用基于精密的模数转换(ADC)技术的板载电量计，并在电量计内置误差校正和温度补偿。

安森美半导体的LC70920XF智能锂电池电量计IC 克服库仑计数电量计的弊端，解决上述设计挑战：结合低功耗工作及高精度计量，通过减少磨损确保更长的电池使用时间，此外，没有外部检测电阻意味着没有功率损耗并节省宝贵的PCB空间。

LC70920XF基于称为HG-CVR的独特计量法，以±2.8%的误差测量电池的相对电荷状态(RSOC)，即使在相对不稳定的条件下，包括温度、老化、负载及自放电。

精密的参考电压对准确的电压测量至关重要。LC70920XF具有精确的内部参考电压电路，且这不受温度影响，它存储参考表在其存储器中，其中包括关于电池的电压/容量、电阻/容量及电阻/温度功能的数据。

HG-CVR法测量电池电压、温度、内部电阻和电池开路电压(OCV)。OCV是无负载电流的电池电压。测量的电池电压分为OCV和随负载电流变化的电压。变化的电压是由负载电流和内部电阻产生。那么电流值由以下公式确定：

V(VARIED) = V(MEASURED)-OCV
I=V(VARIED)/R(INTERNAL)

其中V(VARIED)是随负载电流变化的电压，V(MEAUSRED)是测得的电压，R(INTERNAL)是电池的内部电阻。内部电阻受剩余电量、负载电流、温度等因素影响。HG-CVR法在监测电压后提取电荷(库仑)，并使用电阻配置档表和电压配置档表计算。

然后，通过不断将测到的电压及温度与参考表中的值进行比较来计算剩余电池电量。当电池电压更低时，读数会更频繁，以确保在电池剩余使用时间变得更短时的准确的预测。

不像其它电荷测量法，HG-CVR法能考虑到电池自放电事件，无需将设备的电池充满电用于校准，即使电池只充电至50%，也可准确地计算电池的剩余使用时间。


图2：安森美半导体专利的HG-CVR法

如何识别老化？

通过重复放电/充电，电池内部电阻将逐渐增加，满充容量(FCC)将减少。在库仑计数法中，通常使用FCC和剩余容量(RM)计算RSOC。

RSOC = RM/FCC  ×100%

库仑计数法必须通过学习周期预先测量减少的FCC。而HG-CVR可测量电池的RSOC而无需学习周期，该方案用来计算电流的内部电池电阻与FCC高度相关。这相关性取决于电池的化学功能。利用这相关性报告的RSOC不受老化的影响。

误差自动收敛

库仑计数法的一个问题是误差随时间而累积，采用库仑计数法的电量计必须找机会校正它。采用HG-CVR的LC70920XF具有RSOC误差收敛的功能，误差在从开路电压的估测中不断收敛。而且，库仑计数法无法检测准确的剩余变化，因为自放电电流数太小，但HG-CVR法通过电压信息能准确检测。

易于快速安装

一般而言，对电量计来说，获取多个参数是必要的，这通常耗费大量资源和额外的开发时间。LC70920XF的一个独特功能是多个配置档表已内置其中，因而电池测量开始时要准备的参数量非常少，从而简化设计，加快安装。

上电复位/电池插入检测

当LC70920XF检测到电池插入，它开始自动上电复位。一旦电池电压超过复位释放电压(VRR)，它将释放复位状态并将完成初始化以进入睡眠模式或工作模式。所有寄存器在上电复位后初始化。如果在工作时电池电压比VRR低很多，LC70920XF也自动执行系统复位。

低功耗

HG-CVR在预设的时间段测量电压和温度，无需监测电路持续运行，这使电量计电路能在测量间隔之间使自身进入节能睡眠模式，而且无需检测电阻，降低有源功耗。

采用HG-CVR法的电量计减少所需元件数，降低功耗。以LC709203F为例，它比竞争方案少4倍外部元件数，支持设计工程师省去外部电流检测电阻，采用尺寸为1.76mm x 1.6mm的紧凑封装，减小约77.5%的印制电路板尺寸，较竞争方案小约45%，不仅降低物料单成本和设计时间，还提升可靠性。而且，由于所需外部元件数更少，LC709203F可显著降低总功耗，工作电流15 uA， 约竞争元件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。

温度补偿

锂电池容易受到环境条件和环境温度变化的影响。尤其随着温度降至0°C以下，电池电阻变化，导致放电电流流动时电池压降增加。安森美半导体的智能锂电池电量计LC70920XF内置独特的校正算法，以确保在宽范围的环境温度下在所有电池电压下的误差保持在2.8%以内。

智能锂电池电量计LC709203F概览

1．功能
•    采用HG-CVR算法技术：无需外部检测电阻，测量电池RSOC的误差低至2.8%，调节电池的寄生电阻，简化设计
•    提供低功耗
•    提供精密的电压测量
•    具精密的定时器
•    在低RSOC或低电压时发出警报
•    提供温度补偿：温度通过I2C输入或直接由热敏电阻测量，这温度补偿有助于确保电量计在宽范围的环境温度下在所有电池电压下的误差保持在2.8%以内。
•    I2C接口支持达400 kHz频率

2．主要电气参数

参数	条件		规格			单位
		VDD[V]	最小值	典型值	最大值
消耗电流	正常模式	2.5至4.5		15	26	μA
	睡眠模式	2.5至4.5		0.2	4
电压测量精度	Ta=+25℃	3.6	-7.5		7.5	mV/cell
	Ta=-20℃至+70℃	2.5至4.5	-20		20

3.  模块图及引脚分配
LC709203F可采用WDFN8和WLCSP9两种封装方式，其模块图如图3 所示。其中，
TEST引脚：连接至VSS
VSS引脚：连接至电池负极
VDD引脚：连接至电池正极
ALARMB引脚：通过低输出(开漏)指示报警，上拉必须在外部完成，报警条件由寄存器指定，未使用时该引脚连接至VSS。如果电池剩余电荷降至低于设定值或低于设定电压，将通过开漏内置FET拉低ALARMB输出
TSW引脚：热敏电阻电源输出。在读取温度值时，该引脚为高电平。TSW电阻值(针对上拉热敏电阻)必须与热敏电阻值相同
TSENSE引脚：热敏电阻输入。如果您将这引脚连接到热敏电阻，其间需插入100 Ω电阻用于ESD
SDA引脚：I2C数据引脚(开漏)。上拉必须在外部完成
SCL引脚：I2C时钟引脚(开漏)。上拉必须在外部完成


图3：LC709203F模块图

需要注意的是，在不使用时必须将TSW和TSENSE引脚断开连接。

4．关于电气功能及线路布局的说明
1). 由于I2C地址是固定的，需确保其他元件不使用相同的地址
2). 元件从上电算起的初始化时间在80 ms以内
3). 如果通过I2C初始化(初始的RSOC)，那么开始读取电池值在2 ms后
4). 如果电源施加到VDD和VSS，电池值将保持稳定，无论使能/禁用寄存器的状态
5). 尽可能靠近IC端连接VDD和VSS间的电容(1 μF)
6). 在不使用alarm功能时，只需将alarm端与VSS连接，无需上拉电阻

总结

可穿戴设备需要更准确、更低功耗和更小尺寸的电量计，安森美半导体的智能锂电池电量计LC70920XF克服传统库仑计数电量计的弊端，采用专利的HG-CVR 法，内置误差校正和温度补偿，更精准地计量电池的剩余电量，让可穿戴设备用户随时准确知晓电池的剩余使用时间，不再因系统意外关机而困扰。由于该方案省去检测电阻，因而减少外部元件数，且功耗属业界最低，为用户提供更准确、更小尺寸、更高能效的功能。