許多便攜式消費(fèi)電子設(shè)備目前都由小尺寸的紐扣或微型電池供電。對(duì)電量計(jì)來說，如何準(zhǔn)確追蹤監(jiān)測(cè)電池健康和充電狀態(tài)同時(shí)又不影響電池續(xù)航能力則成為一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本文將討論如何在小型電池上使用簡(jiǎn)單的低功耗監(jiān)測(cè)電路來克服這一困難。

 

 

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度看，系統(tǒng)工程師必須嚴(yán)格預(yù)算系統(tǒng)的功耗要求。微控制器/微處理器是管理系統(tǒng)可靠性及執(zhí)行必須功能的“大腦”。作為系統(tǒng)的主力，控制器通常是耗電大戶，所以讓控制器完成所有工作是沒有必要的。為了降低系統(tǒng)功耗，控制器需要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持休眠狀態(tài)，等待GPI引腳上出現(xiàn)中斷。

 

工程師往往利用低功耗電路來持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。有事件發(fā)生時(shí)，這些電路將觸發(fā)微控制器(一般以中斷的形式)，使其執(zhí)行要求的任務(wù)。其中一個(gè)關(guān)鍵功能是監(jiān)測(cè)/控制電池電源的狀態(tài)。當(dāng)電池輸出電壓低于要求值時(shí)，意味著電池被放電了，需要進(jìn)行充電。相反，如果電池輸出高于要求值，在電池完成充電且不再需要繼續(xù)充電時(shí)，標(biāo)識(shí)可變?yōu)橛行?。監(jiān)測(cè)電池電芯溫度也非常關(guān)鍵，因?yàn)樵撝笜?biāo)能夠提供關(guān)于負(fù)載條件、環(huán)境溫度或是否存在故障等許多信息。

 

監(jiān)測(cè)電池電壓和溫度的一個(gè)典型且簡(jiǎn)單的方案是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或帶有窗口功能的比較器。也有比較復(fù)雜的電池監(jiān)測(cè)器和電量計(jì)，是專門針對(duì)這種功能設(shè)計(jì)的。但必須仔細(xì)斟酌，綜合考慮功率、速度、精度、成本及尺寸(空間約束)等因素。不同系統(tǒng)對(duì)以上因素的要求優(yōu)先級(jí)也不同，這將決定設(shè)計(jì)師的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文將討論使用比較器執(zhí)行電池電壓監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)，首先需要考慮以下關(guān)于電池的一些基本信息。

 

 

不同的二次電池或可充電電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)也各不相同。這些差異決定了電池電芯的功率比(提供給負(fù)載的最大電流)、使用壽命和熱穩(wěn)定性。與現(xiàn)實(shí)世界一樣，它們也存在權(quán)衡取舍。一般而言，功率比越高，安全等級(jí)、使用壽命和成本就相應(yīng)變差，反之亦然。

 

電池會(huì)損耗，存在一定的充/放電循環(huán)壽命。此外，電池也存在一定的約束條件，例如：

 

 

這些因素都會(huì)影響電池的使用壽命。如果不重視，電池可能損耗很快甚至爆炸。電池容量不同，上述額定值也會(huì)有所變化，而容量與體積或尺寸成正比。

 

 

表1所列為常見二次/可充電單電池（single-cell battery）的特性。

 

表1：常見二次/可充電單電池的特性。

 

最大安全工作電壓是指完全充電的充電截止電壓。如果繼續(xù)充電，可能會(huì)影響電池的使用壽命(有時(shí)是災(zāi)難性的)。

 

最小終止或關(guān)斷電壓是指電池電芯在電量耗盡時(shí)的電壓。如果電池電壓低于終止點(diǎn)，會(huì)縮短電池壽命。

 

循環(huán)壽命和使用壽命是不同的。電池每經(jīng)歷一次充電到放電的循環(huán)，被稱為一次循環(huán)壽命。您的智能手機(jī)充電/放電越頻繁，使用壽命將越短。

 

如表1所示，鋰聚合物的循環(huán)壽命較低，但其在尺寸、重量和最大-最小電壓額定值(電荷密度)等諸多方面具有優(yōu)勢(shì)。便攜式電子設(shè)備的常用電池是鎳合金和鋰離子復(fù)合物。鉛酸電池一般太重(能量-重量比)，所以在這些應(yīng)用中很少考慮。這種電池不能重復(fù)進(jìn)行完全放電循環(huán)，因?yàn)闀?huì)對(duì)化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生極大影響，最終縮短電池的使用壽命。鉛酸和鎳鎘類電池主要用于獨(dú)立/備用電源，是最便宜的電池，但對(duì)環(huán)境有害。

 

 

電池由于內(nèi)部自身的化學(xué)反應(yīng)造成容量減小稱為自放電，這是庫(kù)存電池即使不使用壽命也會(huì)縮短的原因。

 

以額定值為1000mAh的鋰聚合物電池為例。放電率指電池完全放電的速率；1C表示電池在1000mA下完全放電需1小時(shí)；0.5C表示電池在500mA下完全放電需2小時(shí)。

 

對(duì)于1000mAh容量的電池在一個(gè)月內(nèi)的放電，下式是一種非常合理的近似表達(dá)：

 

 

因此，每個(gè)月自放電容量的1% (見表1)相當(dāng)于放電電流0.001388C的1%，也就是(1000mAh/720小時(shí)的1%) ≈ 14μA。

 

如果應(yīng)用電路功耗小于放電電流，那么電池壽命將由存放時(shí)間而非應(yīng)用電路的耗流決定。

 

 

圖1所示為監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的簡(jiǎn)單比較器。在完全充電時(shí)，比較器輸出電壓從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，在電池完全放電時(shí)從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。?shí)現(xiàn)電路時(shí)，利用外部滯回和所選門限來產(chǎn)生正確的輸出狀態(tài) 。

 

圖1：帶有滯回功能的比較器，指示“充電”和“放電”電池電壓。

 

所示比較器為帶內(nèi)部基準(zhǔn)、微小外形尺寸的器件，靜態(tài)耗流為900nA。電路采用較大阻值的電阻實(shí)現(xiàn)，確?？偣ぷ麟娏鞒^電池的典型自放電率。

 

電路可工作在低至1.7V的電源電壓，要求的電源電流小于2µA，這樣能夠保證即使在電池剩余最少的電量時(shí)也能產(chǎn)生正確的輸出。

 

表2列出了可實(shí)現(xiàn)VBAT(VH->L和VL->H)電池監(jiān)測(cè)觸發(fā)點(diǎn)的典型元件值。

 

表2：實(shí)現(xiàn)VBAT(VH->L和VL->H)電池監(jiān)測(cè)觸發(fā)點(diǎn)的典型元件值。

 

表2列出了實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的典型特征元件值。與表1相比，確定的門限值提供了更窄的滯回帶，允許元件容限和變化的裕量更大。對(duì)于圖1所示的電路，采用0.5%容限電阻時(shí)，整個(gè)電路提供的觸發(fā)點(diǎn)精度為±1%。采用容限更嚴(yán)的電阻可得到更高的精確度。

 

 

 

圖2所示為實(shí)現(xiàn)鋰離子和鎳鎘電池監(jiān)測(cè)的雙比較器方法。相應(yīng)的觸發(fā)點(diǎn)在內(nèi)部設(shè)置，減少了元件個(gè)數(shù)和面積，精度為±1%。

 

圖2的應(yīng)用電路耗流小于1μA，器件支持低至1.0V電源輸入，因而即使在電池超過放電電壓時(shí)應(yīng)用也能工作。

 

圖2：使用MAX9065監(jiān)測(cè)鋰離子/鎳鎘電池。

 

 

溫度過高往往表明存在問題，并且會(huì)造成電子設(shè)備永久損壞，原因可能有很多，包括環(huán)境溫度過高、功耗過大，或者電池充電/放電不正確。不管怎樣，當(dāng)溫度太高時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該立刻關(guān)斷進(jìn)行保護(hù)。

 

圖3顯示的簡(jiǎn)單電路采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來監(jiān)測(cè)器件溫度，該電阻一般放在靠近電池組的位置，確保其周圍溫度非常接近電池溫度。

 

圖3：使用MAX40004進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

 

NTC熱敏電阻的阻值與溫度成反比。例如，容限為0.5%的100kΩ標(biāo)稱熱敏電阻在25°C時(shí)阻值為100kΩ，在85°C時(shí)阻值大約為8.8kΩ。R1為1.08MΩ，R2為120kΩ。85°C時(shí)，比較器同相輸入電壓恰好足以將輸出觸發(fā)為低電平。器件的內(nèi)部滯回為15°C，可降低對(duì)噪聲的靈敏度。

 

圖3所示的比較器采用節(jié)省空間的4焊球WLP封裝，要求的靜態(tài)電流小于500nA，應(yīng)用總耗流小于2μA。

 

 

電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路幾乎不需要額外的電池能耗，即可為移動(dòng)和可穿戴設(shè)備提供保護(hù)和監(jiān)測(cè)。

 

作者：Ashwin Badri Narayanan，Maxim公司

 

本文轉(zhuǎn)載自《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》。