【導讀】許多便攜式消費電子設備目前都由小尺寸的紐扣或微型電池供電，如何準確追蹤監(jiān)測電池健康和充電狀態(tài)同時又不影響電池續(xù)航能力是很大的挑戰(zhàn)。本設計實例將討論如何在小型電池上使用簡單的低功耗監(jiān)測電路來克服這一困難。
許多便攜式消費電子設備目前都由小尺寸的紐扣或微型電池供電。對電量計來說，如何準確追蹤監(jiān)測電池健康和充電狀態(tài)同時又不影響電池續(xù)航能力則成為一個很大的挑戰(zhàn)。本文將討論如何在小型電池上使用簡單的低功耗監(jiān)測電路來克服這一困難。
便攜系統(tǒng)中的電池管理
從系統(tǒng)設計角度看，系統(tǒng)工程師必須嚴格預算系統(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，控制器需要在較長時間內(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)測系統(tǒng)的關鍵功能。有事件發(fā)生時，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。其中一個關鍵功能是監(jiān)測/控制電池電源的狀態(tài)。當電池輸出電壓低于要求值時，意味著電池被放電了，需要進行充電。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，標識可變?yōu)橛行А１O(jiān)測電池電芯溫度也非常關鍵，因為該指標能夠提供關于負載條件、環(huán)境溫度或是否存在故障等許多信息。
監(jiān)測電池電壓和溫度的一個典型且簡單的方案是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或帶有窗口功能的比較器。也有比較復雜的電池監(jiān)測器和電量計，是專門針對這種功能設計的。但必須仔細斟酌，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)對以上因素的要求優(yōu)先級也不同，這將決定設計師的系統(tǒng)設計。本文將討論使用比較器執(zhí)行電池電壓監(jiān)測和溫度監(jiān)測，首先需要考慮以下關于電池的一些基本信息。
可充電電池
不同的二次電池或可充電電池的化學成分和結(jié)構(gòu)也各不相同。這些差異決定了電池電芯的功率比(提供給負載的最大電流)、使用壽命和熱穩(wěn)定性。與現(xiàn)實世界一樣，它們也存在權(quán)衡取舍。一般而言，功率比越高，安全等級、使用壽命和成本就相應變差，反之亦然。
電池會損耗，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：
- 在一段時間、特定輸出電壓范圍內(nèi)，電池能夠提供多大輸出電流？
- 電池能夠吸入多大電流(充電期間)？
- 電池允許的最高充電電壓或最高安全電壓是多少？
- 電池允許的最低放電電壓或者最低安全電壓是多少？
- 電池能夠承受多高或多低的溫度？
這些因素都會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，上述額定值也會有所變化，而容量與體積或尺寸成正比。
支持便攜式電子設備的可充電電池
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，可能會影響電池的使用壽命(有時是災難性的)。
最小終止或關斷電壓是指電池電芯在電量耗盡時的電壓。如果電池電壓低于終止點，會縮短電池壽命。
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。便攜式電子設備的常用電池是鎳合金和鋰離子復合物。鉛酸電池一般太重(能量-重量比)，所以在這些應用中很少考慮。這種電池不能重復進行完全放電循環(huán)，因為會對化學性質(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立/備用電源，是最便宜的電池，但對環(huán)境有害。
自放電和功率預算
電池由于內(nèi)部自身的化學反應造成容量減小稱為自放電，這是庫存電池即使不使用壽命也會縮短的原因。
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；0.5C表示電池在500mA下完全放電需2小時。
對于1000mAh容量的電池在一個月內(nèi)的放電，下式是一種非常合理的近似表達：
因此，每個月自放電容量的1% (見表1)相當于放電電流0.001388C的1%，也就是(1000mAh/720小時的1%) ≈ 14μA。
如果應用電路功耗小于放電電流，那么電池壽命將由存放時間而非應用電路的耗流決定。
帶內(nèi)部基準支持電池電壓監(jiān)測的微功耗比較器
圖1所示為監(jiān)測電池狀態(tài)的簡單比較器。在完全充電時，比較器輸出電壓從高電平跳變?yōu)榈碗娖剑陔姵赝耆烹姇r從低電平跳變?yōu)楦唠娖健崿F(xiàn)電路時，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、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現(xiàn)，確保總工作電流超過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也能產(chǎn)生正確的輸出。
表2列出了可實現(xiàn)VBAT(VH->L和VL->H)電池監(jiān)測觸發(fā)點的典型元件值。
表2：實現(xiàn)VBAT(VH->L和VL->H)電池監(jiān)測觸發(fā)點的典型元件值。
表2列出了實現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)測應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。對于圖1所示的電路，采用0.5%容限電阻時，整個電路提供的觸發(fā)點精度為±1%。采用容限更嚴的電阻可得到更高的精確度。
鋰離子/鎳鎘電池電壓監(jiān)測
圖2所示為實現(xiàn)鋰離子和鎳鎘電池監(jiān)測的雙比較器方法。相應的觸發(fā)點在內(nèi)部設置，減少了元件個數(shù)和面積，精度為±1%。
圖2的應用電路耗流小于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應用也能工作。
圖2：使用MAX9065監(jiān)測鋰離子/鎳鎘電池。
溫度監(jiān)測器
溫度過高往往表明存在問題，并且會造成電子設備永久損壞，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，當溫度太高時，系統(tǒng)應該立刻關斷進行保護。
圖3顯示的簡單電路采用一個負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來監(jiān)測器件溫度，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進行溫度監(jiān)測。
NTC熱敏電阻的阻值與溫度成反比。例如，容限為0.5%的100kΩ標稱熱敏電阻在25°C時阻值為100kΩ，在85°C時阻值大約為8.8kΩ。R1為1.08MΩ，R2為120kΩ。85°C時，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，應用總耗流小于2μA。
總結(jié)
電池監(jiān)測和保護電路幾乎不需要額外的電池能耗，即可為移動和可穿戴設備提供保護和監(jiān)測。
作者：Ashwin Badri Narayanan，Maxim公司
本文轉(zhuǎn)載自《電子技術設計》。
推薦閱讀：
