【編者按】電子產(chǎn)品跟我們的生活密不可分噪芭，如何才能最大程度發(fā)揮電子計(jì)的準(zhǔn)確性呢腰凫？恤仁？坏榜？

便攜式電子產(chǎn)品與我們的生活日益密切坯苹，使用可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費(fèi)新潮流。在市場日益顯著增長的同時摇天，如何提高電量計(jì)的準(zhǔn)確性成為了亟待解決的問題粹湃。傳統(tǒng)內(nèi)置于可穿戴設(shè)備的電量計(jì)可提供的精確度約±8%。因此如果指示器顯示剩余電量為10%闸翅，那么實(shí)際值可能低至2%。用戶往往以為設(shè)備可以再工作一段時間菊霜，而系統(tǒng)卻突然意外關(guān)閉坚冀，丟失未保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和工作，為用戶的使用帶來不便鉴逞。試想如果這種故障發(fā)生在醫(yī)療環(huán)境记某，還有可能危及生命。

通過添加電量計(jì)量功能的元件可以提高電量計(jì)的準(zhǔn)確性构捡，但這就有可能增加設(shè)備的尺寸和重量液南，而如今的消費(fèi)者需要更纖薄、可集成更多功能的便攜式/可穿戴設(shè)備勾徽，因此設(shè)計(jì)人員需要考慮使用高能效的元件滑凉。

傳統(tǒng)電量計(jì)量方案：庫侖計(jì)數(shù)法

庫侖計(jì)數(shù)法是最常用的電量計(jì)量法，它采用高精度的電流檢測電阻斗黍，連續(xù)監(jiān)測電池的輸出電流二娄。電流隨時間而集成，并將結(jié)果與已知的最大電量進(jìn)行比較掷佑，以計(jì)算可用的剩余電量苇恤。

圖1：庫侖計(jì)數(shù)法

庫侖計(jì)數(shù)法的最大弊端在于其非常不準(zhǔn)確，導(dǎo)致意外關(guān)機(jī)的可能性非常大霹壁。因?yàn)殡姵氐淖苑烹婋娏鞑涣鬟^外部檢測電阻供窝，所以它不能被檢測到。而且這種自放電電流受電池溫度的影響剿稼，自放電事件導(dǎo)致環(huán)境溫度升高而進(jìn)一步影響精確度百涕。此外，只有電池每次被充滿電才能取得準(zhǔn)確的測量茂禁，而事實(shí)上電池不是每次都被充滿電就考。

庫侖計(jì)數(shù)法不僅不準(zhǔn)確，而且由于其需要檢測電阻跛鸵，導(dǎo)致成本增加并占用更大的PCB空間贯卦，而檢測電流流過檢測電阻會消耗額外的電池電量，干擾主電池性能焙贷，增加功率損耗撵割。

基于內(nèi)部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計(jì)量法

安森美半導(dǎo)體的LC70920XF智能鋰電池電量計(jì)IC為克服庫侖計(jì)數(shù)電量計(jì)的弊端贿堰，并解決上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提供了絕佳解決方案：采用基于精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)技術(shù)的板載電量計(jì)，并在電量計(jì)內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償啡彬。結(jié)合低功耗工作及高精度計(jì)量羹与，通過減少磨損確保更長的電池使用時間，此外庶灿，沒有外部檢測電阻意味著沒有功率損耗并節(jié)省寶貴的PCB空間纵搁。

LC70920XF基于稱為HG-CVR的獨(dú)特計(jì)量法，以±2.8%的誤差測量電池的相對電荷狀態(tài)(RSOC)往踢，即使在相對不穩(wěn)定的條件下腾誉，包括溫度、老化峻呕、負(fù)載及自放電利职。

精密的參考電壓對準(zhǔn)確的電壓測量至關(guān)重要。LC70920XF具有精確的內(nèi)部參考電壓電路瘦癌，且這不受溫度影響撼盈，它存儲參考表在其存儲器中，其中包括關(guān)于電池的電壓/容量填丢、電阻/容量及電阻/溫度功能的數(shù)據(jù)节讹。

HG-CVR法測量電池電壓、溫度敞灸、內(nèi)部電阻和電池開路電壓(OCV)如癌。OCV是無負(fù)載電流的電池電壓。測量的電池電壓分為OCV和隨負(fù)載電流變化的電壓菱区。變化的電壓是由負(fù)載電流和內(nèi)部電阻產(chǎn)生顿墨。那么電流值由以下公式確定：

V(VARIED) = V(MEASURED)-OCV

I=V(VARIED)/R(INTERNAL)

其中V(VARIED)是隨負(fù)載電流變化的電壓，V(MEAUSRED)是測得的電壓绎瓣，R(INTERNAL)是電池的內(nèi)部電阻稼孤。內(nèi)部電阻受剩余電量、負(fù)載電流堵忌、溫度等因素影響扇述。HG-CVR法在監(jiān)測電壓后提取電荷(庫侖)，并使用電阻配置檔表和電壓配置檔表計(jì)算杯道。

然后匪煌，通過不斷將測到的電壓及溫度與參考表中的值進(jìn)行比較來計(jì)算剩余電池電量。當(dāng)電池電壓更低時党巾，讀數(shù)會更頻繁萎庭，以確保在電池剩余使用時間變得更短時的準(zhǔn)確的預(yù)測。

不像其它電荷測量法，HG-CVR法能考慮到電池自放電事件驳规，無需將設(shè)備的電池充滿電用于校準(zhǔn)肴敛，即使電池只充電至50%，也可準(zhǔn)確地計(jì)算電池的剩余使用時間吗购。

圖2：安森美半導(dǎo)體專利的HG-CVR法

如何識別老化?

通過重復(fù)放電/充電医男，電池內(nèi)部電阻將逐漸增加，滿充容量(FCC)將減少捻勉。在庫侖計(jì)數(shù)法中镀梭，通常使用FCC和剩余容量(RM)計(jì)算RSOC。

RSOC = RM/FCC ×100%

庫侖計(jì)數(shù)法必須通過學(xué)習(xí)周期預(yù)先測量減少的FCC踱启。而HG-CVR可測量電池的RSOC而無需學(xué)習(xí)周期报账，該方案用來計(jì)算電流的內(nèi)部電池電阻與FCC高度相關(guān)。這相關(guān)性取決于電池的化學(xué)功能挽后。利用這相關(guān)性報(bào)告的RSOC不受老化的影響滥港。

誤差自動收斂

庫侖計(jì)數(shù)法的一個問題是誤差隨時間而累積鸠头，采用庫侖計(jì)數(shù)法的電量計(jì)必須找機(jī)會校正它镇盛。采用HG-CVR的LC70920XF具有RSOC誤差收斂的功能，誤差在從開路電壓的估測中不斷收斂诱价。而且卜锡，庫侖計(jì)數(shù)法無法檢測準(zhǔn)確的剩余變化，因?yàn)樽苑烹婋娏鲾?shù)太小涧俐，但HG-CVR法通過電壓信息能準(zhǔn)確檢測歉赴。

易于快速安裝

一般而言，對電量計(jì)來說偶村，獲取多個參數(shù)是必要的柄午，這通常耗費(fèi)大量資源和額外的開發(fā)時間。LC70920XF的一個獨(dú)特功能是多個配置檔表已內(nèi)置其中娶架，因而電池測量開始時要準(zhǔn)備的參數(shù)量非常少爽咒，從而簡化設(shè)計(jì)，加快安裝窿侈。

上電復(fù)位/電池插入檢測

當(dāng)LC70920XF檢測到電池插入炼幔，它開始自動上電復(fù)位。一旦電池電壓超過復(fù)位釋放電壓(VRR)史简，它將釋放復(fù)位狀態(tài)并將完成初始化以進(jìn)入睡眠模式或工作模式乃秀。所有寄存器在上電復(fù)位后初始化。如果在工作時電池電壓比VRR低很多圆兵，LC70920XF也自動執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位跺讯。

低功耗

HG-CVR在預(yù)設(shè)的時間段測量電壓和溫度，無需監(jiān)測電路持續(xù)運(yùn)行，這使電量計(jì)電路能在測量間隔之間使自身進(jìn)入節(jié)能睡眠模式抬吟，而且無需檢測電阻萨咕，降低有源功耗。

采用HG-CVR法的電量計(jì)減少所需元件數(shù)火本，降低功耗危队。以LC709203F為例，它比競爭方案少4倍外部元件數(shù)钙畔，支持設(shè)計(jì)工程師省去外部電流檢測電阻茫陆，采用尺寸為1.76mm x 1.6mm的緊湊封裝，減小約77.5%的印制電路板尺寸埂荤，較競爭方案小約45%毛围，不僅降低物料單成本和設(shè)計(jì)時間，還提升可靠性屁蕾。而且沸恤，由于所需外部元件數(shù)更少，LC709203F可顯著降低總功耗躺潘，工作電流15 uA真稚， 約競爭元件118 uA的1/10。在有源模式下毕亲，降低87%的功耗农帝，在睡眠模式下，降低60%的功耗项蝉。

溫度補(bǔ)償

鋰電池容易受到環(huán)境條件和環(huán)境溫度變化的影響舆飒。尤其隨著溫度降至0°C以下，電池電阻變化白找，導(dǎo)致放電電流流動時電池壓降增加能真。安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計(jì)LC70920XF內(nèi)置獨(dú)特的校正算法，以確保在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內(nèi)扰柠。

智能鋰電池電量計(jì)LC709203F概覽

1.功能

· 采用HG-CVR算法技術(shù)：無需外部檢測電阻粉铐，測量電池RSOC的誤差低至2.8%，調(diào)節(jié)電池的寄生電阻耻矮，簡化設(shè)計(jì)

· 提供低功耗

· 提供精密的電壓測量

· 具精密的定時器

· 在低RSOC或低電壓時發(fā)出警報(bào)

· 提供溫度補(bǔ)償：溫度通過I2C輸入或直接由熱敏電阻測量秦躯，這溫度補(bǔ)償有助于確保電量計(jì)在寬范圍的環(huán)境溫度下在所有電池電壓下的誤差保持在2.8%以內(nèi)。

· I2C接口支持達(dá)400 kHz頻率

2.主要電氣參數(shù)

3. 模塊圖及引腳分配

LC709203F可采用WDFN8和WLCSP9兩種封裝方式裆装，其模塊圖如圖3 所示踱承。其中，

TEST引腳：連接至VSS

VSS引腳：連接至電池負(fù)極

VDD引腳：連接至電池正極

ALARMB引腳：通過低輸出(開漏)指示報(bào)警哨免，上拉必須在外部完成茎活，報(bào)警條件由寄存器指定，未使用時該引腳連接至VSS。如果電池剩余電荷降至低于設(shè)定值或低于設(shè)定電壓载荔，將通過開漏內(nèi)置FET拉低ALARMB輸出

TSW引腳：熱敏電阻電源輸出盾饮。在讀取溫度值時，該引腳為高電平懒熙。TSW電阻值(針對上拉熱敏電阻)必須與熱敏電阻值相同

TSENSE引腳：熱敏電阻輸入档价。如果您將這引腳連接到熱敏電阻，其間需插入100 ?電阻用于ESD

SDA引腳：I2C數(shù)據(jù)引腳(開漏)囤乎。上拉必須在外部完成

SCL引腳：I2C時鐘引腳(開漏)靡黑。上拉必須在外部完成

圖3：LC709203F模塊圖

需要注意的是，在不使用時必須將TSW和TSENSE引腳斷開連接敢薄。

4.關(guān)于電氣功能及線路布局的說明

1). 由于I2C地址是固定的帽惠，需確保其他元件不使用相同的地址

2). 元件從上電算起的初始化時間在80 ms以內(nèi)

3). 如果通過I2C初始化(初始的RSOC)，那么開始讀取電池值在2 ms后

4). 如果電源施加到VDD和VSS艇线，電池值將保持穩(wěn)定剧鹏，無論使能/禁用寄存器的狀態(tài)

5). 盡可能靠近IC端連接VDD和VSS間的電容(1 μF)

6). 在不使用alarm功能時，只需將alarm端與VSS連接游鹿，無需上拉電阻

總結(jié)

可穿戴設(shè)備需要更準(zhǔn)確盔惑、更低功耗和更小尺寸的電量計(jì)，安森美半導(dǎo)體的智能鋰電池電量計(jì)LC70920XF克服傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)電量計(jì)的弊端容且，采用專利的HG-CVR 法刁夺，內(nèi)置誤差校正和溫度補(bǔ)償唾诺，更精準(zhǔn)地計(jì)量電池的剩余電量亮隙，讓可穿戴設(shè)備用戶隨時準(zhǔn)確知曉電池的剩余使用時間，不再因系統(tǒng)意外關(guān)機(jī)而困擾垢夹。由于該方案省去檢測電阻溢吻，因而減少外部元件數(shù)，且功耗屬業(yè)界最低果元，為用戶提供更準(zhǔn)確促王、更小尺寸、更高能效的功能而晒。

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