準確測量便攜式設(shè)備電池剩余電量的方法

一、前言

    使用便攜式電子產(chǎn)品，希望能夠隨時知道電池的所剩電量，所能持續(xù)的工作時間，并且據(jù)此調(diào)節(jié)相關(guān)應(yīng)用，這無疑將是一個非常方便的事情，尤其適合使用智能手機的商務(wù)人士。電池電量檢測技術(shù)在筆記本電腦中已經(jīng)屢見不鮮，多數(shù)筆記本電腦都有電源管理的選項，提供不同的電源工作模式以及電池報警功能。但是在更加小型化的便攜產(chǎn)品市場，這一技術(shù)卻還不多見。

    便攜式產(chǎn)品提供的功能越來越紛繁，用戶日益需要準確地監(jiān)測電池電量，以便靈活管理可用電源，明確顯示剩余工作時間，盡可能延長系統(tǒng)運行的時間?，F(xiàn)在大多數(shù)手機采用的電量測量方法還比較簡單，缺乏精確度。目前主流的檢測方法是簡單測量電池電壓，估算相對應(yīng)的電池剩余電量?？傠娏砍?或5，也就是通常能在手機屏幕上看見的4格或者5格的電量Bar，所以每格的精確度即是25%或者20%，這樣的精度顯然無法滿足高精度要求的應(yīng)用。

    這種電壓估測電量的方法通常如下：一塊電池在放電的時候，電池的電壓會隨著電池電量的流失逐漸地下降。這樣就可以得到一個比較簡單而有效的對應(yīng)關(guān)系，就是電壓對應(yīng)容量。通過電池正常使用（比如100mA放電）的放電曲線，對時間進行4等分，以充電限制電壓為4.2V的鋰電池為例，可以列出這樣一個對應(yīng)關(guān)系，4.20V—100%，3.85V—75%，3.75V—50%，3.60V—25%，3.40V—5%（因為手機不可能完全用光電池的電量，一般低于3.40V 時就可能自動關(guān)機了）。很顯然，這種精度最高只有25%。另外，電池電壓會隨著RFPA的功率發(fā)射發(fā)生突變，通常會變小0.2V-0.3V。如果一味的使用電壓模擬電量方法，就會誤差更大。為了解決電池電壓突然變小的測量問題，當前工程師們的普遍方法是利用軟件算法進行均值濾波，對一段時間內(nèi)的電池電壓進行均值化，如果該時間段的平均電池電壓確實下降了，則預(yù)估電量確實變少了，否則即認為電量并未變化。

    電池電壓模擬剩余電量的方法確實存在著缺陷，而通過庫侖計實時監(jiān)測電池消耗電量而計算剩余電量的方法則非常準確。Fairchild的FAN4010是這種應(yīng)用的典型器件。它是一顆電流檢測傳感器，專門用于檢測便攜式設(shè)備電池的充電/耗電電流，能將通過精密檢測電阻的電流信號轉(zhuǎn)換為ADC可以檢測到的電壓信號，從而計算一段時間內(nèi)消耗的真實電量。

二、硬件電路的典型設(shè)計

    為了滿足高精度的電池電量監(jiān)測需求，F(xiàn)AN4010外加合適的應(yīng)用電路并加上特定的軟件控制算法，就能夠很好的達到要求。如圖1是FAN4010的典型應(yīng)用框圖。外圍只需要兩個電阻Rsense、Rout即構(gòu)成高精度的放大電路。如圖2是內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖，所以存在Vsense = I_load * Rsense, Vout = 0.01 * Vsense * Rout，由此兩關(guān)系式可以等到I_load=100*Vout/(Rout*Rsense)，所以只要用ADC監(jiān)測Vout上的電壓，再除以已知的電阻值Rout和Rsense，就可以得到準確的負載消耗電流，而電流對時間進行積分，，即可以達到所消耗的電量準確值。用總電量減去準確的電量消耗值，即可得到準確的剩余電量。充電電路，則同理。

圖1  FAN4010的應(yīng)用框圖

圖2  FAN4010的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖

    FAN4010的典型應(yīng)用圖以及Rsense、Rout的選值要求如下。其中圖3為電池的充電電路，圖4為電池的放電電路。

圖3 充電部分的參考原理圖

圖4 放電部分的參考原理圖

Rsense(R_sense1/R_sense2)

    這兩個電阻串聯(lián)在充電和放電的路徑上。因此，我們需要一個低阻值的電流采樣電阻。矛盾的是，如果Rsense太低，精度都將丟失。若Rsense選擇的過大，則此電阻上的壓降和功耗都很大。因此，Rsense的選擇應(yīng)該是理想的高精確度和所能允許電壓損失的綜合平衡。雖然FAN4010在Vsense值較低時采樣電阻上的功耗最小，但是一個更大的Rsense值能提供更多的準確性。然而較大的Rsense會產(chǎn)生一個比較大的電壓降，減少了可提供給負載的有效電壓，這在低電壓尤其電池供電的應(yīng)用中會很有麻煩。正因為如此，設(shè)計中要很好地了解預(yù)期的最大允許負載電流和負載供電電壓。為了獲得最大化的精度，建議Rsense的選擇應(yīng)符合以下條件：10mV<Vsense<200mV。

Rout(R_out1/R_out2)

    接到GND上的Rout這個電阻，是用來產(chǎn)生一個可供ADC檢測到的電壓信號。它的選擇主要取決于兩個參數(shù)：I_out(即I_load*Rsense/100)以及ADC的電壓采樣范圍。最大的I_load產(chǎn)生的最大Vout不能超過ADC的最大采樣電壓。為了保證精度最大化，同時又希望最大的Vout能盡量接近ADC的最大采樣量程。

    另外，為了保證FAN4010的最大線性化，Rout的選擇應(yīng)滿足關(guān)系式：
其中Vin為輸入電壓，Iout_fs的值則是表1中的對應(yīng)值，在不同的最大Vsense時，其值不一樣。例如，若最大的Vsense為500mV時，則Iout_fs=5mA。

Table.1 Iout_FS的選值表

    Layout設(shè)計圖例如圖5，走線的基本原則是：FAN4010盡量靠近充電/放電路徑。

圖5  layout實例

三、典型的軟件設(shè)計

    電量計算的算法如圖6，相關(guān)說明如下：

    假設(shè)前提：現(xiàn)有兩塊電池，A （總?cè)萘?000mAh左右，不確定），B（總?cè)萘?500mAh左右，不確定），此2電池均可能使用在手機P上。

    插入電池（開機）→→是否電池校準（默認否）→→否→→調(diào)用電池容量曲線a（默認）（若使用電池B，則修改為使用電池容量曲線b）→→通過電池端電池Vcc以及監(jiān)測耗電量聯(lián)合評估剩余電量百分比。
                                         →→是→→若要校準，請保證該電池已經(jīng)充滿電→→選擇校準曲線，a 還是 b? →→記錄最高端電池Vcc-h，默認此時電池電量百分比100%→→按每一可計算時間段，分別監(jiān)測耗電量 ，以及電池端電壓→→一直使用到電池沒電，自動關(guān)機，記錄此狀態(tài)電壓Vcc-l以及默認此時電池百分比0%，計算總的電量損耗Q，此Q即為以后容量曲線的total Q。

圖6  軟件流程圖