提高便携式设备电池的安全性、准确的充电状态和更长的运行时间

准确的电池充电状态 （SOC）、较长的运行时间和保质期以及安全性是开发便携式设备时的关键考虑因素。高度集成的新型电量计IC系列解决了这些电池挑战。通过采用ModelGauge™ m5 EZ算法，MAX17301消除了电池特性，大大缩短了上市时间（TTM）。该算法可以准确预测SOC并增强安全性。此外，IC的低静态电流允许更长的保质期和更长的运行时间。电量计和保护控制的集成提高了安全性，并最大限度地减少了物料清单 （BOM） 和 PCB 面积。

介绍

电量计面临的一大挑战是，传统上，需要获得最佳的电池SOC精度。 针对特定应用条件对每种电池进行广泛的表征和分析（图 1）。这使得它 很难满足快速的 TTM 目标，因为客户要么必须自己执行复杂的表征，要么必须发货 电量计供应商的电池。锂离子电池运输安全法规的新更新（如UN 38.3）使这项工作变成了一项复杂的物流工作。电池到达后，电量计 供应商可能需要两到三周的时间来运行测试并分析结果。

系统设计人员还必须妥善解决与锂离子电池操作相关的安全风险，因为 虐待可能导致灾难性后果。符合 IEC/UL 62368-1 等安全标准 越来越重要。电子设备的保护是增加电池的另一个必要复杂性层 管理流程。

对于大批量应用，系统设计人员还必须降低不安全售后克隆电池的风险， 这会影响系统安全。安全身份验证可以防止此类克隆。

最后，最终用户希望系统在两次充电之间长时间运行（并保持较长的保质期）。 这就是低静态电流发挥作用的地方，它可以最大限度地减少电池电量的浪费。

该设计解决方案回顾了为运动相机供电的挑战，并介绍了一种高度集成的新型 克服它们的电量计和保护IC方法。

SOC 准确性挑战

电池 SOC 从零（电池电量耗尽）到 100%（电池充满）不等，并决定设备的不受限制的运行时间。 电池建模不当的一个重要后果是SOC不准确，因此对运行时间的估计不佳。 典型运动相机使用模型包括处于活动状态的 70 分钟（包括 4k 视频等活动） 录音、WiFi或GPS）和90天处于被动状态（即假期后躺在柜子里）。如果设备 在90天内，在主动模式下消耗1300mA，在被动模式下消耗0.1mA，总共消耗1733mAhr， 这只是最先进的运动相机的电池容量。准确预测电池 SOC 是避免设备操作意外或过早中断所必需的。10% 的 SOC 错误会抢劫用户 173mAhr，相当于主动使用8分钟或被动状态2个月。

我Q挑战

虽然应用似乎并不关心静态电流，但许多系统设计人员都非常清楚。 关于保持电池消耗较低以确保设备在被动状态下不会耗尽电池电量，或者 坐在架子上。

被动运行时持续时间挑战

除了 SOC 和运行时准确性之外，运行时持续时间也同样重要。在被动模式下，相同 电池可持续使用长达 24.1 个月。消耗40μA的典型电量计将缩短电池被动运行时间 大约 6.9 个月，这不是一个可以忽略不计的时间。

保质期挑战

40μA 静态电流在 12 个月内将消耗高达 346mAh。另一方面，我们的相机电池很可能 由于运输安全法规，仅收取30%或520mAh的费用。静态电流消耗 66% 大约 12 个月的运输后以及相机放在仓库或商店货架上的剩余电量。

对于如此高的静态电流，有两种选择。

一种是在保质期内保持电量计“打开”，从而保持 SOC 精度但会损失电量。这个选择 导致糟糕的用户体验，因为客户被迫在使用设备之前先为设备充电。

另一种选择是关闭燃油表。现在电荷保留了，但开启时的SOC不准确。 电量计需要几个小时的操作才能重新学习电池容量。这里的风险是 用户可能会被困在任务的中间。

安全挑战

锂离子/聚合物电池在各种便携式电子设备中非常常见，因为它们具有非常 高能量密度，最小的记忆效应和低自放电。但是，必须注意避免过热或 对这些电池过度充电以防止损坏电池。这有助于避免潜在的危险结果或 爆炸性事件。用于停止放电的普通欠压 （UV） 保护效率低下，因为它可能是 由太短而无关紧要的放电脉冲触发。大多数分立式保护器不监控电池温度 也。需要采取更复杂的保护办法。

解决方案

例如，图2中的应用是低I。Q带保护和 1芯锂离子/聚合物电池的认证。保护器控制外部高边 N-FET（图 2）。 身份验证可防止电池组克隆。电量计采用Maxim的ModelGauge m5算法。集成电路监视器 电压、电流、温度和电池状态，以确保锂离子/聚合物电池在 延长电池寿命的安全条件。燃油表和保护控制的集成最大限度地减少了BOM 和PCB面积占用。

图2.电量计和保护IC。

非易失性存储器允许IC存储电池的电量计和保护参数。它还支持年龄预测 以估计电池寿命。生活史记录为了解使用情况提供全面的诊断 模式、故障分析和保修退货。

1线（MAX17311）或2线I®2C （MAX17301） 接口提供数据和控制访问 寄存 器。这些 IC 采用无铅、3mm x 3mm 14 引脚 TDFN 和 1.7mm x 2.5mm 15 焊球 0.5mm 间距 WLP 封装。

SOC 精度

ModelGauge m5 算法将库仑计数器的短期精度和线性度与长期 基于电压的电量计的稳定性。除温度补偿外，它还提供行业领先的电量计 准确性。电量计 IC 可自动补偿电池老化、温度和放电速率，并提供 在各种工作条件下以毫安小时 （mAhr） 或百分比 （%） 为单位的精确 SOC。

ModelGauge 无需检测电阻的帮助即可估算电池的开路电压 （OCV），即使 使用电池表征和实时仿真对电池处于负载状态。模型仪表算法使用 SOC 和 OCV 之间的关系以预测 SOC（图 3）。

图3.基于电压的电量计。

带模型仪表 m5 的库仑计数器

由于库仑计数器ADC失调误差，电量计估计的SOC会随着时间的推移偏离理想SOC 价值。但是，通过使用与库仑并行运行的内部基于OCV（或仅基于电压）的估计 相反，电量计IC补偿这些误差，并使产生的SOC回到正轨。这种情况每时每都会发生 三分之一秒，当电池处于负载状态时，校正是百分之一的一小部分（几乎不可见）， 正在充电，甚至空载。这是对其他解决方案的改进，其他解决方案需要等到电池 在空载下完全放松几个小时，然后才能进行任何校正。

ModelGauge 每秒校正库仑计数器误差三次，每天超过 200，000 次，步长为 ~0.00001% （图4）。

图4.使用M5型仪表进行精确的燃油测量。

无需电池表征

ModelGauge m5 EZ 消除了电池特性。系统设计人员可以使用评估板软件逐步完成 很少的应用程序细节，并在短短几分钟内生成模型，从而大大改进了TTM。马克西姆有 使用 300 多种不同的电池和 3000 次放电运行仿真，证明该方法可以产生 在超过 97% 的测试用例中，误差小于 3%。

保质期长

A 7μA IQ（保护FET关闭）有助于防止电池在长时间待机期间耗尽电量，并且 实现较长的保质期和运行时间。7μA 静态电流在 12 个月内仅消耗约 12% 的电池 剩余电荷与前一种情况的 66% 相比。

或者，IC可以进入仅消耗0.5μA I的寄用模式Q，从而延长保质期。它 可以使用多个选项恢复正常运行，包括在按下按钮或充电器时打开 连接。恢复正常运行后，电量计可以立即计算 SOC 并重新学习全部容量 在接下来的 1 1/2 个周期内电池。

运行时间长

带 IQ18μA （FET 导通），电池无源运行时间从 6.9 个月缩短到仅 3.7 个月。

增强安全性

该 IC 集成了高度可编程的锂离子电池保护器控制，以防止因异常而损坏 电压、电流、温度条件，并保证在广泛的应用中安全充放电。 在同一 IC 上集成保护和电量计可实现更复杂的电池安全方法， 同时防止保护器误跳闸。特别是，在很短的时间内估计SOC的能力 电池电压骤降允许IC确定是否适合关断或继续工作。

许多电池制造商建议系统充电器随着电池老化而降低充电电压。自 实现这一点，系统微控制器可以读取电量计IC的年龄和周期寄存器。

由于系统微控制器正在控制充电器，因此检测可能导致充电器 以不安全的方式操作。电量计 IC 具有看门狗，可检测微控制器的异常系统状况 并通过进入保护模式来防止失控的充电器损坏电池。

除了主保护器外，如果电池容量较大，许多系统制造商还会实施辅助保护器 冗余保护器。但这种保护器通常只作用于电压和电流故障条件。燃油表 可以通过根据额外的高度异常温度和电压触发第二级保护器来补充这一点 条件。这包括当它检测到主保护器 FET 发生故障时。从本质上讲，这会导致 出于安全原因，电池被永久禁用。

所有这些增强功能使系统制造商更容易满足最新的产品安全标准，如IEC。 62368-1/UL62368-1。

结论

我们回顾了与电池 SOC 精度、运行时间、保质期和安全性相关的电量计挑战，并引入了新的 高度集成的IC系列和开发协议可应对这些挑战。通过实施模型仪表 m5 EZ算法，消除了IC的电池特性，大大提高了TTM。系统设计人员可以使用EV 在短短几分钟内生成模型的工具包。该算法可以准确预测SOC并增强安全性。 最后，电量计 IC 的低静态电流可实现更长的保质期和更长的运行时间。集成 电量计和保护控制进一步提高了安全性，并最大限度地减少了BOM和PCB面积占用。

审核编辑：郭婷