在PDA设计上，以往都是用电池电压来估计剩余电池容量，相对于coulomb counting，其价格较低且系统（host）消耗功率较少。但在愈来愈多附加功能（如smart phone、PDA + GSM、PDA + CDMA）需应用在PDA上，单单靠电压测量是非常不准的，其原因在于系统所需电流范围愈来愈大，系统常会有瞬间大电流及极小电流出现，电压常会造成系统误判，往往造成电池容量的浪费，也增加电池管理的困难度。

《图一 NiMH在不同温度及不同放电速率下的电压曲线》

电池电压与容量误差

虽然在放电时的电池电压也会下降，但在不同的放电电流与温度下，电压曲线变化很大，以(图一)Ni - Mh为例，以完全放电点(1V)为底线，得知放电的速率及到完全放电点的剩余时间等数据，两者相乘得到剩余容量，(表一)及(表二)表示剩余容量（以mAH表示）与电池电压的关系式（表一以0.1C放电速率，表二以0.7C放电速率）。由此数据可看出剩余容量与所测量的电池电压变化相当不同。Li - Ion电池通常容量大约为Ni - Mh的1/3，其百分比误差也很相似。

改善方法

如果掌握住电池的温度及放电速率与电压的关系式数据，可以从系统改善、校正误差，但若要做到如此，系统就变成比coulomb counting复杂且昂贵，且没有得到明显的效应。在现在注重更长电池寿命及需要更多的附加价值下，PDA的电池管理相形变得重要。根据以上说明，使用电池电压来管理电池再也不是适用且价格便宜的解决方案，取而代之则是coulomb counting 来计算容量，但如何做到低价位及高精准度的gas gauge，请见以下分析。

电池特性分析

1. 描述

现阶段都是以coulomb counting来估算剩余容量。以Dallas DS2438产品为例，它包含integrated电流累计器（ICA），可提供在已知的条件下电池容量的精准测量，然而在实际应用中，温度、放电速率变化、电池寿命老化等等变化因素影响，使得coulomb counting仍需要再调整、辅助，使其估计容量更精准。利用电池容量在温度放电速率的不同特性，用软件coulomb count来控制存取，如Dallas DS2760解决方案，其拥有coulomb counter、温度存取及15 bytes user EEPROM等功能，能在不同的Li - Ion电池上做到高精准度fuel gauging，在设计之前先探讨Li - Ion电池行为特性。

《图二 以coulomb counting来估算剩余容量》

2. 温度及放电速率在Li - Ion的容量影响

将1200mAH Li - Ion电池分二个步骤充电：

《图三 不同的温度及放电速率下所呈现的充电容量（以mAH表示）》

Li - Ion容量变化决定于温度及放电速率。(图三)表示在不同的温度及放电速率下所呈现的充电容量（以mAH表示），“Full"线表示在前述充电方法下电池到达fully charged点，“High Current Empty"线表示在不同的温度以1C放电电流使电池到达fully discharged点。可由此图看出以"Full"线及所对应的"Empty"线所表示的电池容量在不同速率及温度下是不同的，因此在不同温度及速率下，empty及full两点都会改变，且彼此有关系式。

举例来说，如果一个电池在环境80℃温度下达到fully charged，然而在-20℃温度下到达fully discharged，此电池充电容量则变为80℃的full值（1340mAH）与-20℃的empty value（250mAH）相减成为1090mAH。但若此时电池在-20℃温度下达到fully charged，只需使用在-20℃上的full及empty点来得到充电容量（860mAH）。

只有在快速的温度变化及速率需探讨相对性full及empty两点，电池一开始先在温度１以放电速率１来放电，再由放电电流２在温度２达到fully discharged，empty点则取放电速率２和温度２数据。同样的电池以大电流放电至fully discharged后仍然可以小电流再进一步的放电，这是因为在同一温度下以不同的放电速率所呈现的empty点有少许mAH容量差距，故决定剩余容量时只需掌握所处的温度及放电速率即可。

3. 电池老化

电池老化与时间有很大的关系，可由(图四)看出在25℃温度下重复性充电及放电下的电池容量效应，以coulomb counting持续观察，可以发现老化只影响到Full point，empty point仍保持不变。为了考虑此因素，计算剩余容量公式须动态性的调整以保持准确性。

4. 其他因素考虑

大部份其他的特性因素只对充电容量有一点点或没有影响。Li - Ion充电效能非常好，只有一点点的能量损耗到热能上。Li - Ion的自我放电也是相当低的，因为这些综合起来的特性影响容量准确性极低，故在fuel gauging计算中被忽略。

《图四 25℃温度下重复性充电及放电下的电池容量效应》

如何计算剩余容量

由以上探讨得知在实际情况下若只用coulomb counting方法是相当不准确的，以下章节则指引如何以coulomb counting方式再加上Empty及Full两点来精准估算剩余容量。

1. 如何找寻电池特性数据

以DS2438为例，在fuel gauging计算式中，可由DS2438 ICA值来找到各种电池“Empty"及"Full"值，再将此值存入DS2438 EEPROM内。在涵盖温度范围及电流累计应用下得到电池特性数据，将此数据逐步地存入pack剩余内存内以提供system参考与修改演算使用，可由(图四)表示系统如何得到电池特性数据。

《图五 读取电池特性系统》

取较多电池的数据，再取平均值或典型值存入，为了得到最佳的准确度，这些数据需在已组装好的pack上获得，不能只是在单电池上做实验，为了得到这些特性数据，此电池需在每个温度下做完全放电及完全充电。由(图六)可知DS2438 ICA读取器在0℃到40℃温度下所得到的完全充电值及active current（大电流）放电值，再由此相同温度条件去取得standby current（小电流）放电数据。

《图六 不同温度下的容量特性》

所有收集数据被安排到(表三)，因为只有点与点之间相对容量有参考价值，其数据上的绝对值容量反而不那么重要，故这些数据可被标准化到最低的值（standby current 在40℃），如此可降低储存数据值的大小，因为standby current 在40℃放电的Standby empty值并不是0 mAH。

2. 计算公式

在取得电池pack的特性表后，计算剩余容量就变得非常简单了。根据特性表数据，依据当时温度及放电速率下找到其对应电池full及empty点，再利用DS2438 ICA得到容量，以此两者数据得到以百分比显示的剩余容量比。一开始，由DS2438 EEPROM取出特性数据，将此数据存入系统的RAM中，当系统要更新剩余容量比时，先读取电池温度及DS2438的ICA容量值，若所处温度并未在特性表内，则可由已知的临界两Full点以线性化取得Full值。以28℃为例，其电池Full point可由以下计算式得知。

《公式一》

Empty point也采用此方法，只需注意要根据系统消耗电流情况来决定以Active或Standby特性数据代入，如此就可由以下公式得知以百分比显示的容量比例。

《公式二》

解决方案案例探讨

在计算剩余容量时，若能掌握电池在温度及放电速率数据，其精准度会比用coulomb counting来得准确，将此特性数据存入gas gauge内，gas gauge 同时提供温度、电流、电压、累计容量，配合系统软件计算容量比率及更新EEPROM特性表（达到充放电完整周期时），就能够使整体成本做到比Notebook方案更省，同时达到电池容量精确管理，这些功能在PDA及smart phone的设计上是相当重要。

以Dallas DS2760解决方案为例，其测量电池容量（ICA）、电压、精准温度等数据，提供充电、放电的监视及保护。此方案采用Dallas 1-wire界面，提供全双工的数据传递，同时也包含64bit ROM及ID number，可透过1-wire连接许多装置，在PDA及smart phone上有两个电池（PDA、Cradle）的设计相当实用。DS2760另外拥有32byte lockable EEPROM及16byte通用SRAM，此内存专门记载电池重要数据，如电池特性数据。

在保护线路部份，DS2760是个整合gas gauge及保护功能的解决方案，其可持续性观测电池电压、电流来保护电池有无过电压、低电压、过电流及短路现象。

在消耗电流部份，DS2760拥有两个操作模式：Active及Sleep。在Active mode ，DS2760持续地测量电流、电压、温度、容量等系统所需的数据且保护电池机制启动， 种种动作只消耗电池80uA电流，若进入sleep省电模式，则降至2uA。

在零件整合度部份，DS2760不仅把gas gauge及保护整合在一个IC，同时提供TSSOP及Flip-Chip２个包装来符合各种尺寸限制，同一种包装拥有内含25mohm current sense电阻或user - selectable外部current sense电阻。采用内含current sense电阻，其电流分辨率为0.625mA，最大范围到 ±1.8A，采用外部current sense电阻，则测量VIS电压填入电流缓存器中，其分辨率为15.625uV，最大范围可到 ±64mV，以12bit表示。

在工具辅助部份，DS2760提供一系列完整的测试、校正、填入EEPROM辅助工具，配合实用的应用程序来使gas gauge加上电池特性落实在PDA上。

结论

在PDA日益精进的设计中，因应各种应用所需的电池愈来愈大，在强调长时间的使用下，如何应用coulomb counting观念也愈来愈重要。它可掌握电池在温度及放电速率不同特性，由实用gas gauge IC提供电池数据，经由系统达到精确的容量比率运算，且不占用太多系统资源，若能将电池与电池间的特性差异、电池老化等电池变化特性时时保持更新，将可使电池容量在使用初、使用后都能确实保持准确，使PDA真正做到最佳的电池管理。

(作者任职于美信积体产品公司)