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讓電池電量計更精確
 

【作者: Steve Sheard】   2015年11月13日 星期五

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電池供電的移動設備如智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦已為現代生活所必需。例如,當今智慧型手機提供人們每天需多次使用的許多功能:發電郵、發短信、GPS、拍照、日曆、記事本、多媒體播放器,甚至時不時的電話。用戶通常需要在低電量時繼續操作他們的設備,即使電量顯示還剩百分之幾,如果系統突然關閉,可能帶來不便。同樣,許多筆記型電腦用戶,已經歷過在筆記型電腦為保護電池而比預期更快關機後,丟失未保存的工作的沮喪。


考慮到隨時準確知曉電池剩餘電量對用戶的重要性,精確的電池「電量計」極其重要。但是通常用於可攜式設備的庫倫計數技術不僅不準確,導致意外關機的可能性非常大,而且受制於溫度相關的誤差,並消耗寶貴的電池電量,而將這些電量用來為其他功能電路供電可能更好。


庫倫計數電量計

庫侖計數使用一個高度精密的電流檢測電阻來監測電池不斷輸出的電流。電流隨時間而整合,並將結果與已知的最大電量進行比較,以計算可用的剩餘電量。


從根本上說庫倫計數是不準確的,因為它無法檢測到電池的自放電,因自放電電流未流過庫倫計數的檢測電阻。而且,自放電發生時往往升高環境溫度,改變檢測電阻阻抗從而進一步影響精確度。此外,電池每次必須充滿電以便精確校準。


庫倫計數更多的缺點包括精密檢測電阻相對高的成本,以及當檢測電流持續流過被這電阻消耗的寶貴的電池電量。


庫倫計數精確度約8%左右。因此如果指示器顯示剩餘電量為10%,那麼實際值可能低至2%。對筆電用戶來說,這確實帶來在工作中丟失未保存檔的風險。在智慧型手機中,因系統關閉非必需的功能而可能導致通話中斷或功能丟失。由於如此不準確的水準,用戶可能在即使指示器顯示還有20%左右剩餘電量時就開始擔心電池剩餘的使用時間。對顯示的電池使用時間驟降的擔心,只會增加對狀態資訊的不信任感。


當市場耐心等待電池技術的改進(或事實上不甘現狀),設備設計工程師構思日益複雜的電源管理方案,以節省每一個可能報廢的電池電量時,電量計為用戶提供準確的讀數,同時它本身盡可能少消耗非常寶貴的電池電量。


更好的方法

安森美半導體已開發出專利方法HG-CVR(藉由使用內部阻抗探測電流-電壓的混合計量法),根據使用精密的模數轉換器(ADC)測得的電池電壓計算電池剩餘電量。圖1所示為基本應用電路,顯示使用這技術的一個電量計系統的主要功能模組。



圖1 :  電壓檢測法用於計量電池電量
圖1 : 電壓檢測法用於計量電池電量

描述監測中的電池電壓與電量的關係特性的參考表被存於記憶體中。藉由比較測到的電壓與存於表中的值,可計算出電池剩餘電量。圖2說明了原理:如果測得的電壓為4.0 V,與參考表的比較表明電池電量剩餘75%。



圖2 :  藉由參照電池參考表由測得的電壓推斷電池剩餘電量
圖2 : 藉由參照電池參考表由測得的電壓推斷電池剩餘電量

在已知的時間間隔重複測量電壓。電池溫度也被監控。根據電壓和溫度測量,和在已知的時間間隔記錄的電壓變化,就可計算出電池電量將完全耗盡前的剩餘時間。當電池電壓更低時,讀數會更頻繁,以確保在電池剩餘的使用時間變得更短時能準確預測。


這種方法藉由測量電池組電壓,考慮到電池自放電的問題。而且,電池無須充滿電就能校準。即使電池只充電到50%,也可準確計算電池剩餘使用時間。


由於測量間隔,監測電路無須持續運行。這使電量計電路能在測量之間進入節能睡眠模式。與傳統的庫倫計數相比,這種方法因無須檢測電阻因而降低運行能耗。


溫度補償

眾所周知,在低環境溫度下工作對鋰電池性能有顯著影響。特別是隨著溫度降至0°C以下,電池阻抗變化,導致放電電流流動時電池壓降增加。安森美半導體已在其LC709203F電池電壓檢測電量計IC中添加獨特的校正演算法。這演算法有助於確保電量計在寬範圍的環境溫度下在所有電池電壓下的精度保持在2.8%以內。


為比較使用安森美半導體的LC709203F的電量計量法和庫倫計數電路的性能,裝有新電池的智慧型手機自適應以支援正負極電池連接,電池組的輸出熱敏電阻被連接至LC709203F,同時使智慧型手機的內置電量計能繼續運行。數據記錄器用來記錄內置電量計的輸出,這藉由智慧型手機的I2C匯流排和LC709203F的輸出來監測。智慧型手機被置於一個0°C的恒溫容器中,開啟背光,運行於飛航模式。圖3所示為實驗裝置。



圖3 :  比較內置的智慧型手機電池電量計和使用LC709203F的電壓測量技術
圖3 : 比較內置的智慧型手機電池電量計和使用LC709203F的電壓測量技術

圖4所示為比較的結果。使用LC709203F在測試期內達到的精度高於2.8%,電池剩餘電量最低水準高於2%。標準的電量計系統運行具有不同程度的誤差,當電池電量即將耗盡時,達到高於6%的最高水準。從用戶角度來講,希望電池電量更低時能有更高的精準度,以便預測設備可能關閉的時間。



圖4 :  測試比較的結果
圖4 : 測試比較的結果

尺寸和省電

LC709203F支援只需一個外部元件的高效能電量計量,而替代的元件可能需要2-5個或多達14個額外元件,大大節省物料單成本和省去設計的問題,還提升可靠性。而且,1.76mm x 1.6mm的封裝較替代元件小45%。結合減少的元件數,使電量計電路的整體線路板(PCB)面積將減少約77%。這對智慧型手機設計工程師可能代表了一個關鍵的好處,他們持續奮戰於嵌入所有設計元素以提供消費者想要的功能和用戶介面,而元件現在只需要更小的空間。


總功耗也更低。LC709203F工作電流為15 μA,約相似的競爭元件118 μA的1/10。除了運行時的消耗改進超過87%,LC709203F在睡眠模式下最高消耗60%的電流。


結論

傳統的庫倫計數電池電量計相對較差的精度,使當今用戶在使用他們的移動設備時容易受到不便的中斷,特別是當工作接近電池剩餘電量極限時。新技術使用精密的電池電壓檢測,內置誤差校正和溫度補償,確保一個更精確、具成本效益和節能的方案,將使用戶能更有效地管理他們的移動電池。


(本文作者Steve Sheard任職於安森美半導體)


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