許多可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,如何準確追蹤監測電池健康和充電狀態同時又不影響電池續航能力則成為一個很大的挑戰。本文將討論如何在小型電池上使用簡單的低功耗監測電路來克服這一困難。

可攜系統中的電池管理

從系統設計角度看,系統工程師必須嚴格預算系統的功耗要求。微控制器/微處理器是管理系統可靠性及執行必須功能的「大腦」。作為系統的主力,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。為了降低系統功耗,控制器需要在較長時間內保持休眠狀態,等待GPI接腳上出現中斷。

工程師往往利用低功耗電路來持續監測系統的關鍵功能。有事件發生時,這些電路將觸發微控制器(一般以中斷的形式),使其執行要求的任務,其中一個關鍵功能是監測/控制電池電源的狀態。當電池輸出電壓低於要求值時,意味著電池被放電了,需要進行充電。相反,如果電池輸出高於要求值,在電池完成充電且不再需要繼續充電時,標識可變為有效。監測電池電芯溫度也非常關鍵,因為該指標能夠提供關於負載條件、環境溫度或是否存在故障等許多資訊。

監測電池電壓和溫度的一個典型且簡單的方案是類比/數位轉換器(ADC)或帶有視窗功能的比較器,也有比較複雜的電池監測器和電量計,專門針對這種功能設計。但必須仔細斟酌,綜合考慮功率、速度、精準度、成本及尺寸(空間約束)等因素,不同系統對以上因素的要求優先順序也不同,這將決定設計師的系統設計。本文將討論使用比較器執行電池電壓監測和溫度監測,首先需要考慮以下關於電池的一些基本資訊。

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構也各不相同。這些差異決定了單電池的功率比(提供給負載的最大電流)、使用壽命和熱穩定性。與現實世界一樣,它們也存在權衡取捨,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/放電迴圈壽命。此外,電池也存在一定的約束條件,例如:

  1. 在一段時間、特定輸出電壓範圍內,電池能夠提供多大輸出電流?
  2. 電池能夠吸入多大電流(充電期間)?
  3. 電池允許的最高充電電壓或最高安全電壓是多少?
  4. 電池允許的最低放電電壓或者最低安全電壓是多少?
  5. 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。

支援可攜式電子設備的可充電電池

表1所列為常見二次/可充電單電池的特性。

20170822TA01P1-1 表1 常見二次/可充電單電池的特性。 備註:使用3節電池,產生典型的3.6V電池輸出。

˙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量耗盡時的電壓。如果電池電壓低於終止點,會縮短電池壽命;

迴圈壽命和使用壽命不同。電池每經歷一次充電到放電的迴圈,被稱為一次迴圈壽命。智慧型手機充電/放電越頻繁,使用壽命將越短。

如表1所示,鋰聚合物的迴圈壽命較低,但其在尺寸、重量和最大-最小電壓額定值(電荷密度)等諸多方面具有優勢,可攜式電子設備的常用電池是鎳合金和鋰離子複合物。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,這種電池不能重複進行完全放電迴圈,因為會對化學性質產生極大影響,最終縮短電池的使用壽命;鉛酸和鎳鎘類電池主要用於獨立/備用電源,是最便宜的電池,但對環境有害。

自放電和功率預算

電池由於內部自身的化學反應造成容量減少稱為自放電,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1,000mAh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1,000mA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。

對於1,000mAh容量的電池在一個月內的放電,下式是一種非常合理的近似表達:

20170822TA01P1-2

因此,每個月自放電容量的1%(表1)相當於放電電流0.001388C的1%,也就是(1,000mAh/720小時的1%)≈14μA。

如果應用電路功耗小於放電電流,那麼電池壽命將由存放時間而非應用電路的耗流決定。

帶內部基準支援電池電壓監測的微功耗比較器

圖1所示為監測電池狀態的簡單比較器。在完全充電時,比較器輸出電壓從高電平跳變為低電平;在電池完全放電時從低電平跳變為高電平。實現電路時,利用外部滯回和所選門限來產生正確的輸出狀態。

20170822TA01P1 圖1 帶有滯回功能的比較器,指示「充電」和「放電」電池電壓。

所示比較器為帶內部基準、微小外形尺寸的元件,靜態耗流為900nA。電路採用較大阻值的電阻實現,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,要求的電源電流小於2μA,這樣能夠保證即使在電池剩餘最少的電量時也能產生正確的輸出。

表2列出可實現VBAT(VH->L和VL->H)電池監測觸發點的典型元件值。

VDD = VPULL-UP = 1.8V, VSS = GND

表2列出實現電池狀態監測應用的典型特徵元件值。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。對於圖1所示的電路,採用0.5%容限電阻時,整個電路提供的觸發點精度為±1%。採用容限更嚴的電阻可得到更高的精確度。

20170822TA01P1-3 表2 實現VBAT(VH->L和VL->H)電池監測觸發點的典型元件值,其中,VDD=VPULL-UP=1.8V、VSS=GND。 備註:使用3節電池產生典型的3.6V電池輸出。

圖2所示為實現鋰離子和鎳鎘電池監測的雙比較器方法。相應的觸發點在內部設置,減少了元件個數和面積,精準度為±1%。

20170822TA01P2 圖2 使用MAX9065監測鋰離子/鎳鎘電池。

圖2的應用電路耗流小於1μA,元件支援低至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。

溫度監測器

溫度過高往往表示存在問題,並且會造成電子設備永久損壞,原因可能有很多,包括環境溫度過高、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,系統應該立刻關斷進行保護。

圖3顯示的簡單電路採用一個負溫度係數(NTC)熱敏電阻來監測器件溫度,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。

20170822TA01P3 圖3 使用MAX40004進行溫度監測。

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℃時阻值為100kΩ;在85℃時阻值大約為8.8kΩ,R1為1.08MΩ,R2為120kΩ,85℃時,比較器同相輸入電壓恰好足以將輸出觸發為低電平。元件的內部滯回為15℃,可降低對雜訊的靈敏度。

圖3所示的比較器採用節省空間的4焊球WLP封裝,要求的靜態電流小於500nA,應用總耗流小於2μA。

20170822TA01P1-4 表3 鋰離子/鎳鎘電池電壓監測。

總結

電池監測和保護電路幾乎不需要額外的電池能耗,即可為行動和可穿戴設備提供保護和監測。