【導讀】高精度電池電量狀態(tài)(SOC)、長運行時間和儲存期限以及安全性是設計便攜式設備時的關鍵考慮事項。新型、高度集成電量計IC家族解決了這些電池相關的難題。通過ModelGauge™ m5 EZ算法，MAX17301省去了電池特征分析過程，大大改善上市時間(TTM)。該算法能夠高精度預測SOC以及增強安全性。此外，IC的低靜態(tài)電流允許較長的儲存期限和較長的運行時間。電量計和保護控制的集成，增強了安全性，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精度就要求對特定應用條件下的每個電池進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，因為客戶必須要么自己進行復雜的特征分析，要么將電池發(fā)送給電量計廠商。最新版本的鋰離子電池運輸安全規(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，電量計廠商需要花費2至3周的時間進行測試以及分析結果。
系統(tǒng)設計師還必須解決與鋰離子電池操作相關的安全風險，處置不當就會造成災難性后果。符合IEC/UL 62368-1等安全標準越來越重要。電子設備的保護又為電池管理過程增加了額外的復雜性。
對于大批量應用，系統(tǒng)設計師還必須降低售后市場克隆電池的安全風險，這會影響系統(tǒng)安全性。安全認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行較長的時間(以及保證較長的儲存期限)。這時候低靜態(tài)電流就非常重要，可最大程度減少電池電量的浪費。
本設計方案回顧了運動攝像機(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、高度集成的電量計和保護IC方法。
圖1. 工作中的運動攝像機。
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，并決定設備的續(xù)航時間。電池模型較差帶來的嚴重后果之一就是SOC不準確，進而造成估算的運行時間不準確。典型運動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)和90天的不活躍狀態(tài)(例如假期過后束之高閣)。如果設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，正好是最新型運動攝像機電池的大致容量。為避免設備意外或過早停止工作，就必須準確預測電池SOC。10%的SOC誤差就會造成173mAhr的偏差，相當于8分鐘的活躍時間或2個月的不活躍狀態(tài)。
The IQ 挑戰(zhàn)
雖然看起來有些應用好像不太在乎靜態(tài)電流，但是許多系統(tǒng)設計師非常注意將電池漏流保持最小，以確保設備在不活躍狀態(tài)或儲存期間不會耗盡電池電量。
非活躍運行時間周期挑戰(zhàn)
除SOC和運行時間精度外，運行時間周期也同樣重要。在非活躍模式下，相同電池可能維持長達24.1個月。功耗為40µA的典型電量計將縮短大約6.9個月的電池非活躍狀態(tài)運行時間，這是不可忽略的時間量。
儲存期限挑戰(zhàn)
A 40µA 靜態(tài)電流時，12個月將耗費可觀的346mAh。另一方面，由于運輸安全規(guī)范的原因，攝像機電池在運輸時可能只有30%或520mAh的電量。在攝像機經(jīng)過運輸以及存放在倉庫或貨架上12個月之后，靜態(tài)電流將耗費剩余電量的66%。
面臨如此高的靜態(tài)電流，有兩個選擇。
一種選擇是儲存期間保持電量計“打開”，從而保證SOC精度但損失電量。該項選擇會造成用戶體驗較差，因為客戶在使用設備之前必須對其進行充電。
另一種選擇是關閉電量計。此時能夠節(jié)省電量，但開機時的SOC不準確。電量計需要經(jīng)過幾小時的時間才能重新學習電池容量狀態(tài)。此時的風險是用戶可能在某個任務中途遇到問題。
安全挑戰(zhàn)
鋰離子/聚合物電池由于具有極高的能量密度、最小的記憶效應和較低自放電，在各種便攜式電子設備中非常普及。但是必須小心謹慎避免此類電池過熱或過充，以防損壞電池。這有助于避免危險隱患或爆炸事故。用普通的欠壓(UV)保護來停止放電，這樣效果不佳，因為它可能被很短的放電脈沖觸發(fā)。而大多數(shù)分立式保護器不監(jiān)測電池溫度。因此，我們需要更嚴謹?shù)谋Ｗo方法。
解決方案
以圖2所示的低IQ獨立式電池側電量計IC為例，器件帶有保護和安全認證，適用于單節(jié)鋰離子/聚合物電池。保護器控制外部高邊N-FET (圖2)。安全認證可防止電池組克隆。電量計采用Maxim的ModelGauge m5算法。IC監(jiān)測電壓、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，有效延長電池壽命。電量計和保護控制的集成，可以最大程度減少BOM和PCB面積。
圖2. 電量計和保護IC。
非易失存儲器允許IC儲存電池的電量計和保護參數(shù)，也支持老化預測，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算法既有庫侖計出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計出色的長期穩(wěn)定性。算法采用溫度補償，提供業(yè)界領先的電量計量精度。電量計IC在較寬的工作條件下自動補償電池老化、溫度和放電率，并以毫安時(mAh)或百分比(%)提供精確的SOC。
ModelGauge算法利用電池特性和實時仿真估算電池的開路電壓(OCV)，即使電池帶載時也無需檢測電阻的幫助。ModelGauge算法利用SOC和OCV之間的關系預測SOC (圖3)。
圖3. 基于電壓的電量計。
帶有ModelGauge m5的庫倫計
由于庫倫計ADC的失調(diào)誤差，電量計估算的SOC會隨著時間推移而偏移理想SOC值。但是，通過使用內(nèi)部基于OCV (或僅基于電壓)的估算，使其與庫倫計并行工作，電量計IC可補償這些誤差，使最終的SOC結果回到正軌。該操作每秒執(zhí)行三次，在電池帶載、充電甚至空載時，修正所占百分比非常小(幾乎不可見)。這是相對于其他方案的改進，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)過幾個小時后才能進行任何修正。
ModelGauge每秒對庫侖計誤差進行三次修正，每天超過200,000次，采用步長大約0.00001% (圖4)。
圖4. 采用ModelGauge M5算法的高精度電量計。
不要求針對特定電池特征建模
ModelGauge m5 EZ無需對電池進行特征分析。系統(tǒng)設計師可利用評估軟件逐步了解幾項應用的詳細信息，并在短短幾分鐘內(nèi)生成模型，最終大大改進TTM。Maxim已經(jīng)利用300多種不同電池以及3000次放電進行了仿真，證明該方法在97%以上的測試用例下的誤差可低至3%。
長儲存期限
A 7µA的 IQ (保護FET關斷) 有助于防止電池在較長時間待機狀態(tài)下漏電，支持較長的儲存期限和運行時間。靜態(tài)電流為7µA時，12個月僅消耗大約電池剩余電量的12%，而之前則消耗66%。
IC也可以置于運輸模式，IQ僅為 0.5µA , 儲存期限更長。可利用多種方法恢復常規(guī)操作狀態(tài)，包括按下按鈕將其打開，或者連接充電器。在恢復常規(guī)操作狀態(tài)時，電量計可立即計算SOC，以及在接下來的1½循環(huán)內(nèi)重新學習電池的滿電量狀態(tài)。
長運行時間
IQ 為 18µA(FET導通) 時，電池的非活躍運行時間從6.9個月下降為只有3.7個月。
增強安全性
IC集成高度可編程保護器控制，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用下安全地充電和放電。將保護和計量集成到同一片IC，支持實現(xiàn)更嚴謹?shù)碾姵匕踩Ｗo，同時防止保護器滋擾跳閘。尤其是能夠在極短的電池電壓暫降期間估算SOC，使IC能夠確定是否應該關斷或繼續(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。為實現(xiàn)這一目的，系統(tǒng)微控制器可讀取電量計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，所以檢測可能會造成充電器工作方式不安全的突然死機非常重要。電量計IC具有看門狗，能夠檢測微控制器的異常系統(tǒng)狀態(tài)，通過進入保護模式防止失控的充電器損壞電池。
除主保護器外，如果電池容量較大，許多系統(tǒng)制造商采用輔助保護器作為冗余。但是此類保護器通常僅適用于電壓和電流故障條件。電量計可根據(jù)附加的溫度和電壓嚴重異常條件觸發(fā)2級保護器，從而完善這一點。包括當檢測到主保護器FET已經(jīng)失效時。這基本上會造成電池因為安全原因而永久禁用。
所有這些增強功能使系統(tǒng)制造商能夠更容易地滿足最新的產(chǎn)品安全標準，例如IEC 62368-1/UL62368-1。
總結
我們回顧了電量計設計所面臨的挑戰(zhàn)，包括電池SOC精度、運行時間、儲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)設計師可利用評估套件在短短幾分鐘內(nèi)生成模型。該算法能夠高精度預測SOC以及增強安全性。最后，電量計IC的低靜態(tài)電流允許較長的儲存期限和較長的運行時間。電量計和保護控制的集成，進一步提高了安全性，最大程度減少BOM和PCB面積。
術語
● 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允許的工作時間。
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