许多便携式消费电子设备目前都由小尺寸的纽扣或微型电池供电。对电量计来说,如何准确追踪监测电池健康和充电状态同时又不影响电池续航能力则成为一个很大的挑战。本文将讨论如何在小型电池上使用简单的低功耗监测电路来克服这一困难。

便携系统中的电池管理

从系统设计角度看,系统工程师必须严格预算系统的功耗要求。微控制器/微处理器是管理系统可靠性及执行必须功能的“大脑”。作为系统的主力,控制器通常是耗电大户,所以让控制器完成所有工作是没有必要的。为了降低系统功耗,控制器需要在较长时间内保持休眠状态,等待GPI引脚上出现中断。

工程师往往利用低功耗电路来持续监测系统的关键功能。有事件发生时,这些电路将触发微控制器(一般以中断的形式),使其执行要求的任务。其中一个关键功能是监测/控制电池电源的状态。当电池输出电压低于要求值时,意味着电池被放电了,需要进行充电。相反,如果电池输出高于要求值,在电池完成充电且不再需要继续充电时,标识可变为有效。监测电池电芯温度也非常关键,因为该指标能够提供关于负载条件、环境温度或是否存在故障等许多信息。

监测电池电压和温度的一个典型且简单的方案是模/数转换器(ADC)或带有窗口功能的比较器。也有比较复杂的电池监测器和电量计,是专门针对这种功能设计的。但必须仔细斟酌,综合考虑功率、速度、精度、成本及尺寸(空间约束)等因素。不同系统对以上因素的要求优先级也不同,这将决定设计师的系统设计。本文将讨论使用比较器执行电池电压监测和温度监测,首先需要考虑以下关于电池的一些基本信息。

可充电电池

不同的二次电池或可充电电池的化学成分和结构也各不相同。这些差异决定了电池电芯的功率比(提供给负载的最大电流)、使用寿命和热稳定性。与现实世界一样,它们也存在权衡取舍。一般而言,功率比越高,安全等级、使用寿命和成本就相应变差,反之亦然。

电池会损耗,存在一定的充/放电循环寿命。此外,电池也存在一定的约束条件,例如:

1. 在一段时间、特定输出电压范围内,电池能够提供多大输出电流?
2. 电池能够吸入多大电流(充电期间)?
3. 电池允许的最高充电电压或最高安全电压是多少?
4. 电池允许的最低放电电压或者最低安全电压是多少?
5. 电池能够承受多高或多低的温度?

这些因素都会影响电池的使用寿命。如果不重视,电池可能损耗很快甚至爆炸。电池容量不同,上述额定值也会有所变化,而容量与体积或尺寸成正比。

支持便携式电子设备的可充电电池

表1所列为常见二次/可充电单电池(single-cell battery)的特性。

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表1:常见二次/可充电单电池的特性。

  • 最大安全工作电压是指完全充电的充电截止电压。如果继续充电,可能会影响电池的使用寿命(有时是灾难性的)。
  • 最小终止或关断电压是指电池电芯在电量耗尽时的电压。如果电池电压低于终止点,会缩短电池寿命。
  • 循环寿命和使用寿命是不同的。电池每经历一次充电到放电的循环,被称为一次循环寿命。您的智能手机充电/放电越频繁,使用寿命将越短。

如表1所示,锂聚合物的循环寿命较低,但其在尺寸、重量和最大-最小电压额定值(电荷密度)等诸多方面具有优势。便携式电子设备的常用电池是镍合金和锂离子复合物。铅酸电池一般太重(能量-重量比),所以在这些应用中很少考虑。这种电池不能重复进行完全放电循环,因为会对化学性质产生极大影响,最终缩短电池的使用寿命。铅酸和镍镉类电池主要用于独立/备用电源,是最便宜的电池,但对环境有害。

自放电和功率预算

电池由于内部自身的化学反应造成容量减小称为自放电,这是库存电池即使不使用寿命也会缩短的原因。

以额定值为1000mAh的锂聚合物电池为例。放电率指电池完全放电的速率;1C表示电池在1000mA下完全放电需1小时;0.5C表示电池在500mA下完全放电需2小时。

对于1000mAh容量的电池在一个月内的放电,下式是一种非常合理的近似表达:

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因此,每个月自放电容量的1% (见表1)相当于放电电流0.001388C的1%,也就是(1000mAh/720小时的1%) ≈ 14μA。

如果应用电路功耗小于放电电流,那么电池寿命将由存放时间而非应用电路的耗流决定。

带内部基准支持电池电压监测的微功耗比较器

图1所示为监测电池状态的简单比较器。在完全充电时,比较器输出电压从高电平跳变为低电平,在电池完全放电时从低电平跳变为高电平。实现电路时,利用外部滞回和所选门限来产生正确的输出状态 。

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图1:带有滞回功能的比较器,指示“充电”和“放电”电池电压。

所示比较器为带内部基准、微小外形尺寸的器件,静态耗流为900nA。电路采用较大阻值的电阻实现,确保总工作电流超过电池的典型自放电率。

电路可工作在低至1.7V的电源电压,要求的电源电流小于2µA,这样能够保证即使在电池剩余最少的电量时也能产生正确的输出。

表2列出了可实现VBAT(VH->L和VL->H)电池监测触发点的典型元件值。

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表2:实现VBAT(VH->L和VL->H)电池监测触发点的典型元件值。

表2列出了实现电池状态监测应用的典型特征元件值。与表1相比,确定的门限值提供了更窄的滞回带,允许元件容限和变化的裕量更大。对于图1所示的电路,采用0.5%容限电阻时,整个电路提供的触发点精度为±1%。采用容限更严的电阻可得到更高的精确度。

锂离子/镍镉电池电压监测

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DI4_MAX9065A_201708 图2所示为实现锂离子和镍镉电池监测的双比较器方法。相应的触发点在内部设置,减少了元件个数和面积,精度为±1%。

图2的应用电路耗流小于1μA,器件支持低至1.0V电源输入,因而即使在电池超过放电电压时应用也能工作。

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图2:使用MAX9065监测锂离子/镍镉电池。

温度监测器

温度过高往往表明存在问题,并且会造成电子设备永久损坏,原因可能有很多,包括环境温度过高、功耗过大,或者电池充电/放电不正确。不管怎样,当温度太高时,系统应该立刻关断进行保护。

图3显示的简单电路采用一个负温度系数(NTC)热敏电阻来监测器件温度,该电阻一般放在靠近电池组的位置,确保其周围温度非常接近电池温度。

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图3:使用MAX40004进行温度监测。

NTC热敏电阻的阻值与温度成反比。例如,容限为0.5%的100kΩ标称热敏电阻在25°C时阻值为100kΩ,在85°C时阻值大约为8.8kΩ。R1为1.08MΩ,R2为120kΩ。85°C时,比较器同相输入电压恰好足以将输出触发为低电平。器件的内部滞回为15°C,可降低对噪声的灵敏度。

图3所示的比较器采用节省空间的4焊球WLP封装,要求的静态电流小于500nA,应用总耗流小于2μA。

总结

电池监测和保护电路几乎不需要额外的电池能耗,即可为移动和可穿戴设备提供保护和监测。

作者:Ashwin Badri Narayanan,Maxim公司

《电子技术设计》2017年8月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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