準確的電池充電狀態(tài) （SOC）、較長的運行時間和保質(zhì)期以及安全性是開發(fā)便攜式設備時的關鍵考慮因素。高度集成的新型電量計IC系列解決了這些電池挑戰(zhàn)。通過采用ModelGauge? m5 EZ算法，MAX17301消除了電池特性，大大縮短了上市時間（TTM）。該算法可以準確預測SOC并增強安全性。此外，IC的低靜態(tài)電流允許更長的保質(zhì)期和更長的運行時間。電量計和保護控制的集成提高了安全性，并最大限度地減少了物料清單 （BOM） 和 PCB 面積。

介紹

電量計面臨的一大挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng)上，需要獲得最佳的電池SOC精度。 針對特定應用條件對每種電池進行廣泛的表征和分析（圖 1）。這使得它 很難滿足快速的 TTM 目標，因為客戶要么必須自己執(zhí)行復雜的表征，要么必須發(fā)貨 電量計供應商的電池。鋰離子電池運輸安全法規(guī)的新更新（如UN 38.3）使這項工作變成了一項復雜的物流工作。電池到達后，電量計 供應商可能需要兩到三周的時間來運行測試并分析結果。

系統(tǒng)設計人員還必須妥善解決與鋰離子電池操作相關的安全風險，因為 虐待可能導致災難性后果。符合 IEC/UL 62368-1 等安全標準 越來越重要。電子設備的保護是增加電池的另一個必要復雜性層 管理流程。

對于大批量應用，系統(tǒng)設計人員還必須降低不安全售后克隆電池的風險， 這會影響系統(tǒng)安全。安全身份驗證可以防止此類克隆。

最后，最終用戶希望系統(tǒng)在兩次充電之間長時間運行（并保持較長的保質(zhì)期）。 這就是低靜態(tài)電流發(fā)揮作用的地方，它可以最大限度地減少電池電量的浪費。

該設計解決方案回顧了為運動相機供電的挑戰(zhàn)，并介紹了一種高度集成的新型 克服它們的電量計和保護IC方法。

SOC 準確性挑戰(zhàn)

電池 SOC 從零（電池電量耗盡）到 100%（電池充滿）不等，并決定設備的不受限制的運行時間。 電池建模不當?shù)囊粋€重要后果是SOC不準確，因此對運行時間的估計不佳。 典型運動相機使用模型包括處于活動狀態(tài)的 70 分鐘（包括 4k 視頻等活動） 錄音、WiFi或GPS）和90天處于被動狀態(tài)（即假期后躺在柜子里）。如果設備 在90天內(nèi)，在主動模式下消耗1300mA，在被動模式下消耗0.1mA，總共消耗1733mAhr， 這只是最先進的運動相機的電池容量。準確預測電池 SOC 是避免設備操作意外或過早中斷所必需的。10% 的 SOC 錯誤會搶劫用戶 173mAhr，相當于主動使用8分鐘或被動狀態(tài)2個月。

我Q挑戰(zhàn)

雖然應用似乎并不關心靜態(tài)電流，但許多系統(tǒng)設計人員都非常清楚。 關于保持電池消耗較低以確保設備在被動狀態(tài)下不會耗盡電池電量，或者 坐在架子上。

被動運行時持續(xù)時間挑戰(zhàn)

除了 SOC 和運行時準確性之外，運行時持續(xù)時間也同樣重要。在被動模式下，相同 電池可持續(xù)使用長達 24.1 個月。消耗40μA的典型電量計將縮短電池被動運行時間 大約 6.9 個月，這不是一個可以忽略不計的時間。

保質(zhì)期挑戰(zhàn)

40μA 靜態(tài)電流在 12 個月內(nèi)將消耗高達 346mAh。另一方面，我們的相機電池很可能 由于運輸安全法規(guī)，僅收取30%或520mAh的費用。靜態(tài)電流消耗 66% 大約 12 個月的運輸后以及相機放在倉庫或商店貨架上的剩余電量。

對于如此高的靜態(tài)電流，有兩種選擇。

一種是在保質(zhì)期內(nèi)保持電量計“打開”，從而保持 SOC 精度但會損失電量。這個選擇 導致糟糕的用戶體驗，因為客戶被迫在使用設備之前先為設備充電。

另一種選擇是關閉燃油表。現(xiàn)在電荷保留了，但開啟時的SOC不準確。 電量計需要幾個小時的操作才能重新學習電池容量。這里的風險是 用戶可能會被困在任務的中間。

安全挑戰(zhàn)

鋰離子/聚合物電池在各種便攜式電子設備中非常常見，因為它們具有非常 高能量密度，最小的記憶效應和低自放電。但是，必須注意避免過熱或 對這些電池過度充電以防止損壞電池。這有助于避免潛在的危險結果或 爆炸性事件。用于停止放電的普通欠壓 （UV） 保護效率低下，因為它可能是 由太短而無關緊要的放電脈沖觸發(fā)。大多數(shù)分立式保護器不監(jiān)控電池溫度 也。需要采取更復雜的保護辦法。

解決方案

例如，圖2中的應用是低I。Q帶保護和 1芯鋰離子/聚合物電池的認證。保護器控制外部高邊 N-FET（圖 2）。 身份驗證可防止電池組克隆。電量計采用Maxim的ModelGauge m5算法。集成電路監(jiān)視器 電壓、電流、溫度和電池狀態(tài)，以確保鋰離子/聚合物電池在 延長電池壽命的安全條件。燃油表和保護控制的集成最大限度地減少了BOM 和PCB面積占用。

圖2.電量計和保護IC。

非易失性存儲器允許IC存儲電池的電量計和保護參數(shù)。它還支持年齡預測 以估計電池壽命。生活史記錄為了解使用情況提供全面的診斷 模式、故障分析和保修退貨。

1線（MAX17311）或2線I?2C （MAX17301） 接口提供數(shù)據(jù)和控制訪問 寄存 器。這些 IC 采用無鉛、3mm x 3mm 14 引腳 TDFN 和 1.7mm x 2.5mm 15 焊球 0.5mm 間距 WLP 封裝。

SOC 精度

ModelGauge m5 算法將庫侖計數(shù)器的短期精度和線性度與長期 基于電壓的電量計的穩(wěn)定性。除溫度補償外，它還提供行業(yè)領先的電量計 準確性。電量計 IC 可自動補償電池老化、溫度和放電速率，并提供 在各種工作條件下以毫安小時 （mAhr） 或百分比 （%） 為單位的精確 SOC。

ModelGauge 無需檢測電阻的幫助即可估算電池的開路電壓 （OCV），即使 使用電池表征和實時仿真對電池處于負載狀態(tài)。模型儀表算法使用 SOC 和 OCV 之間的關系以預測 SOC（圖 3）。

圖3.基于電壓的電量計。

帶模型儀表 m5 的庫侖計數(shù)器

由于庫侖計數(shù)器ADC失調(diào)誤差，電量計估計的SOC會隨著時間的推移偏離理想SOC 價值。但是，通過使用與庫侖并行運行的內(nèi)部基于OCV（或僅基于電壓）的估計 相反，電量計IC補償這些誤差，并使產(chǎn)生的SOC回到正軌。這種情況每時每都會發(fā)生 三分之一秒，當電池處于負載狀態(tài)時，校正是百分之一的一小部分（幾乎不可見）， 正在充電，甚至空載。這是對其他解決方案的改進，其他解決方案需要等到電池 在空載下完全放松幾個小時，然后才能進行任何校正。

ModelGauge 每秒校正庫侖計數(shù)器誤差三次，每天超過 200，000 次，步長為 ~0.00001% （圖4）。

圖4.使用M5型儀表進行精確的燃油測量。

無需電池表征

ModelGauge m5 EZ 消除了電池特性。系統(tǒng)設計人員可以使用評估板軟件逐步完成 很少的應用程序細節(jié)，并在短短幾分鐘內(nèi)生成模型，從而大大改進了TTM。馬克西姆有 使用 300 多種不同的電池和 3000 次放電運行仿真，證明該方法可以產(chǎn)生 在超過 97% 的測試用例中，誤差小于 3%。

保質(zhì)期長

A 7μA IQ（保護FET關閉）有助于防止電池在長時間待機期間耗盡電量，并且 實現(xiàn)較長的保質(zhì)期和運行時間。7μA 靜態(tài)電流在 12 個月內(nèi)僅消耗約 12% 的電池 剩余電荷與前一種情況的 66% 相比。

或者，IC可以進入僅消耗0.5μA I的寄用模式Q，從而延長保質(zhì)期。它 可以使用多個選項恢復正常運行，包括在按下按鈕或充電器時打開 連接。恢復正常運行后，電量計可以立即計算 SOC 并重新學習全部容量 在接下來的 1 1/2 個周期內(nèi)電池。

運行時間長

帶 IQ18μA （FET 導通），電池無源運行時間從 6.9 個月縮短到僅 3.7 個月。

增強安全性

該 IC 集成了高度可編程的鋰離子電池保護器控制，以防止因異常而損壞 電壓、電流、溫度條件，并保證在廣泛的應用中安全充放電。 在同一 IC 上集成保護和電量計可實現(xiàn)更復雜的電池安全方法， 同時防止保護器誤跳閘。特別是，在很短的時間內(nèi)估計SOC的能力 電池電壓驟降允許IC確定是否適合關斷或繼續(xù)工作。

許多電池制造商建議系統(tǒng)充電器隨著電池老化而降低充電電壓。自 實現(xiàn)這一點，系統(tǒng)微控制器可以讀取電量計IC的年齡和周期寄存器。

由于系統(tǒng)微控制器正在控制充電器，因此檢測可能導致充電器 以不安全的方式操作。電量計 IC 具有看門狗，可檢測微控制器的異常系統(tǒng)狀況 并通過進入保護模式來防止失控的充電器損壞電池。

除了主保護器外，如果電池容量較大，許多系統(tǒng)制造商還會實施輔助保護器 冗余保護器。但這種保護器通常只作用于電壓和電流故障條件。燃油表 可以通過根據(jù)額外的高度異常溫度和電壓觸發(fā)第二級保護器來補充這一點 條件。這包括當它檢測到主保護器 FET 發(fā)生故障時。從本質(zhì)上講，這會導致 出于安全原因，電池被永久禁用。

所有這些增強功能使系統(tǒng)制造商更容易滿足最新的產(chǎn)品安全標準，如IEC。 62368-1/UL62368-1。

結論

我們回顧了與電池 SOC 精度、運行時間、保質(zhì)期和安全性相關的電量計挑戰(zhàn)，并引入了新的 高度集成的IC系列和開發(fā)協(xié)議可應對這些挑戰(zhàn)。通過實施模型儀表 m5 EZ算法，消除了IC的電池特性，大大提高了TTM。系統(tǒng)設計人員可以使用EV 在短短幾分鐘內(nèi)生成模型的工具包。該算法可以準確預測SOC并增強安全性。 最后，電量計 IC 的低靜態(tài)電流可實現(xiàn)更長的保質(zhì)期和更長的運行時間。集成 電量計和保護控制進一步提高了安全性，并最大限度地減少了BOM和PCB面積占用。

審核編輯：郭婷