適用于單節(jié)或兩節(jié)電池供電的便攜式應(yīng)用的完整電池組設(shè)計(jì)

引言

盡管電壓測(cè)量已經(jīng)單獨(dú)被用于許多便攜式產(chǎn)品估算電池的剩余電量，但是這種方法可能存在高達(dá) 50% 的誤差。電池電壓和電量之間的關(guān)系會(huì)隨放電率、溫度和電池老化程度而有所不同。例如，相比相同電量損耗的低放電率，高放電率會(huì)帶來(lái)更大的壓降。當(dāng)電池在不同溫度下放電時(shí)，我們會(huì)注意到一些類似的特征。

隨著對(duì)長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一款更為精確的解決方案。在一個(gè)寬范圍的應(yīng)用功率級(jí)中， 使用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì) IC 來(lái)測(cè)量流入或流出電池的電荷，將得到一種更好的電池電量估算方法。

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)原理

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)就是一種自動(dòng)監(jiān)控電池電量的 IC，其向做出系統(tǒng)電源管理決定的處理器報(bào)告監(jiān)控情況。一個(gè)不錯(cuò)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)至少需要一些測(cè)量電池電壓、電池組溫度和電流的方法、一顆微處理器、以及一種業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)算法。

bq2650x 和 bq27x00 均為完整的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)，其擁有一個(gè)用于電壓和溫度測(cè)量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及一個(gè)電流和充電感應(yīng) ADC。這些電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)還擁有一顆運(yùn)行 TI 電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)算法的內(nèi)部微處理器。這些算法將對(duì)鋰離子 (Li-ion) 電池的自放電、老化、溫度和放電率進(jìn)行補(bǔ)償。該微處理器可以使主機(jī)系統(tǒng)處理器不用進(jìn)行沒(méi)完沒(méi)了的計(jì)算。

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)提供了諸如“電量剩余狀態(tài)”等信息，同時(shí) bq27x00 系統(tǒng)還提供了“剩余運(yùn)行時(shí)間”信息。主機(jī)在任何時(shí)候都可以詢問(wèn)到這種信息，并由主機(jī)來(lái)決定是通過(guò) LED 還是通過(guò)屏幕顯示消息來(lái)通知最終用戶有關(guān)電池的信息。由于系統(tǒng)處理器只需要一個(gè) 1²C 或一個(gè) HDQ 通信驅(qū)動(dòng)，因此使用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。

電池組電路描述

圖 1 描述了電池組中的應(yīng)用電路。根據(jù)所使用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì) IC 的不同，電池組將至少具有三到四個(gè)可用外部終端。

圖 1 典型的應(yīng)用電路

VCC 和 BAT 引腳將接入電池電壓，用于 IC 功率和電池電壓的測(cè)量。一只低阻值感應(yīng)電阻被安裝在電池的接地端，以使感應(yīng)電阻兩端的電壓能夠被電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的高阻抗 SRP 和 SRN 輸入監(jiān)控到。流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流有助于我們確定電池的已充電量或已放電量。在選擇感應(yīng)電阻值時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮到其兩端的電壓不應(yīng)該超過(guò) 100 mV。太小的電阻值在低電流條件下可能會(huì)帶來(lái)誤差。電路板布局必須確保 SRP 和 SRN 到感應(yīng)電阻的連接盡可能地靠近感應(yīng)電阻的各個(gè)端點(diǎn)；即 Kelvin 連接測(cè)量。

HDQ/SDA 和 SCL 引腳均為開(kāi)漏器件，二者都要求有一個(gè)外部上拉電阻。這種電阻應(yīng)該位于主機(jī)側(cè)或主應(yīng)用側(cè)上，以使電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的睡眠功能在電池組與便攜式設(shè)備的連接斷開(kāi)后能夠被激活。推薦上拉電阻器值為 10 kΩ。

電池組驗(yàn)證

便攜式設(shè)備的可充電電池必須在設(shè)備壽命結(jié)束之前得到更換。這就給那些提供便宜的替代電池的廠商打開(kāi)了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，而這些電池可能并沒(méi)有原始設(shè)備制造商要求的安全和保護(hù)電路。

因此，除了電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)功能以外，電池組可能還包括驗(yàn)證特性（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。主機(jī)將驗(yàn)證包含計(jì)算循環(huán)冗余碼校驗(yàn) (CRC) IC（TI的bq26150）的電池組。這種 CRC 基于這種身份驗(yàn)證以及在 IC 中秘密定義的 CRC 多項(xiàng)式之上。主機(jī)還對(duì) CRC 進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)各種值進(jìn)行比對(duì)，以確定是否成功獲得了驗(yàn)證。如果沒(méi)有，那么主機(jī)將決定是再進(jìn)行一次驗(yàn)證還是不允許該電池的系統(tǒng)供電。

一旦電池通過(guò)驗(yàn)證，那么 bq26150 將接收到一個(gè)命令，以確保所有通過(guò)數(shù)據(jù)線的通信在主機(jī)和電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)之間得到傳輸。

圖 2 具有 bq27000 和驗(yàn)證 IC 的電路

就此來(lái)看，主機(jī)可以繼續(xù)利用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的功能。在斷開(kāi)電池以及重新連接至電池時(shí)，都必須重復(fù)進(jìn)行整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程。

兩節(jié)電池應(yīng)用

圖 3 顯示了具有 bq26500 的支持兩節(jié)鋰離子電池的典型應(yīng)用電路。一個(gè)可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器被添加至系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)多電池支持。電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的 BAT 引腳被連接至底部電池的正極，以實(shí)現(xiàn)電池組的調(diào)節(jié)電壓測(cè)量。

圖 3 具有 bq26500 的兩節(jié)電池應(yīng)用

主機(jī)需要對(duì)電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)測(cè)得的電池組調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行解釋，以確定放電結(jié)束閾值和充電終止時(shí)間。我們可以按照電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)報(bào)告的那樣利用“電量剩余狀態(tài)”等信息。

結(jié)論

bq2650x 和 bq27x00 為電池廠商提供了一種簡(jiǎn)單的電池電量報(bào)告替代方法。只需通過(guò)從電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的寄存器中讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)便可以獲得剩余電量值，然后將這一結(jié)果顯示給最終用戶。利用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)，最終用戶可以在剩余電量極少的情況下盡可能多地使用電池的所充電量，因?yàn)殡娏抗烙?jì)將會(huì)比僅對(duì)電池電壓進(jìn)行測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)可以用于各種結(jié)構(gòu)中，其擁有驗(yàn)證特性，并允許在許多兩節(jié)電池供電的應(yīng)用中使用。