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(lái)說(shuō)，如何準確追蹤監測電池健康和充電狀態(tài)同時(shí)又不影響電池續航能力則成為一個(gè)很大的挑戰。本文將討論如何在小型電池上使用簡(jiǎn)單的低功耗監測電路來(lái)克服這一困難。

 

 

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(hù)，所以讓控制器完成所有工作是沒(méi)有必要的。為了降低系統功耗，控制器需要在較長(cháng)時(shí)間內保持休眠狀態(tài)，等待GPI引腳上出現中斷。

 

工程師往往利用低功耗電路來(lái)持續監測系統的關(guān)鍵功能。有事件發(fā)生時(shí)，這些電路將觸發(fā)微控制器(一般以中斷的形式)，使其執行要求的任務(wù)。其中一個(gè)關(guān)鍵功能是監測/控制電池電源的狀態(tài)。當電池輸出電壓低于要求值時(shí)，意味著(zhù)電池被放電了，需要進(jìn)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充電時(shí)，標識可變?yōu)橛行?。監測電池電芯溫度也非常關(guān)鍵，因為該指標能夠提供關(guān)于負載條件、環(huán)境溫度或是否存在故障等許多信息。

 

監測電池電壓和溫度的一個(gè)典型且簡(jiǎn)單的方案是模/數轉換器(ADC)或帶有窗口功能的比較器。也有比較復雜的電池監測器和電量計，是專(zhuān)門(mén)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(guān)于電池的一些基本信息。

 

 

不同的二次電池或可充電電池的化學(xué)成分和結構也各不相同。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)、使用壽命和熱穩定性。與現實(shí)世界一樣，它們也存在權衡取舍。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(huì )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：

 

 

這些因素都會(huì )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(huì )有所變化，而容量與體積或尺寸成正比。

 

 

表1所列為常見(jiàn)二次/可充電單電池（single-cell battery）的特性。

 

表1：常見(jiàn)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。如果繼續充電，可能會(huì )影響電池的使用壽命(有時(shí)是災難性的)。

 

最小終止或關(guān)斷電壓是指電池電芯在電量耗盡時(shí)的電壓。如果電池電壓低于終止點(diǎn)，會(huì )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(chēng)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(jìn)行完全放電循環(huán)，因為會(huì )對化學(xué)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(lèi)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。

 

 

電池由于內部自身的化學(xué)反應造成容量減小稱(chēng)為自放電，這是庫存電池即使不使用壽命也會(huì )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(shí)；0.5C表示電池在500mA下完全放電需2小時(shí)。

 

對于1000mAh容量的電池在一個(gè)月內的放電，下式是一種非常合理的近似表達：

 

 

因此，每個(gè)月自放電容量的1% (見(jiàn)表1)相當于放電電流0.001388C的1%，也就是(1000mAh/720小時(shí)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(shí)間而非應用電路的耗流決定。

 

 

圖1所示為監測電池狀態(tài)的簡(jiǎn)單比較器。在完全充電時(shí)，比較器輸出電壓從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，在電池完全放電時(shí)從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。?shí)現電路時(shí)，利用外部滯回和所選門(mén)限來(lái)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(shí)現，確?？偣ぷ麟娏鞒^(guò)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(shí)也能產(chǎn)生正確的輸出。

 

表2列出了可實(shí)現VBAT(VH->L和VL->H)電池監測觸發(fā)點(diǎn)的典型元件值。

 

表2：實(shí)現VBAT(VH->L和VL->H)電池監測觸發(fā)點(diǎn)的典型元件值。

 

表2列出了實(shí)現電池狀態(tài)監測應用的典型特征元件值。與表1相比，確定的門(mén)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(shí)，整個(gè)電路提供的觸發(fā)點(diǎn)精度為±1%。采用容限更嚴的電阻可得到更高的精確度。

 

 

 

圖2所示為實(shí)現鋰離子和鎳鎘電池監測的雙比較器方法。相應的觸發(fā)點(diǎn)在內部設置，減少了元件個(gè)數和面積，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(guò)放電電壓時(shí)應用也能工作。

 

圖2：使用MAX9065監測鋰離子/鎳鎘電池。

 

 

溫度過(guò)高往往表明存在問(wèn)題，并且會(huì )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(guò)高、功耗過(guò)大，或者電池充電/放電不正確。不管怎樣，當溫度太高時(shí)，系統應該立刻關(guān)斷進(jìn)行保護。

 

圖3顯示的簡(jiǎn)單電路采用一個(gè)負溫度系數(NTC)熱敏電阻來(lái)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?chē)鷾囟确浅＝咏姵販囟取?/div>