通過適當(dāng)?shù)臍怏w計(jì)量確保最終用戶獲得良好的體驗(yàn)。

使用電池有效運(yùn)行是移動(dòng)設(shè)備的核心要求。良好的電池供電行為對(duì)于產(chǎn)品的成功至關(guān)重要。電池供電操作圍繞三個(gè)主要方面：

精心調(diào)校的系統(tǒng)功耗

適當(dāng)?shù)碾姵爻潆?/p>

電池狀態(tài)的準(zhǔn)確燃料或電量計(jì)預(yù)測(cè)

對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，調(diào)整系統(tǒng)功耗首先要定義設(shè)備用例并對(duì)其各種模式下的功耗進(jìn)行建模。通常這包括設(shè)備未使用時(shí)的低“靜態(tài)”掛起狀態(tài)，以及在不同模式下運(yùn)行時(shí)的各種動(dòng)態(tài)管理的電源狀態(tài)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施工作方面，電池充電和電量監(jiān)測(cè)方面經(jīng)常被忽視或低估。特別是對(duì)于消費(fèi)產(chǎn)品，充電或電量計(jì)量的邊際故障會(huì)導(dǎo)致客戶不滿。諸如在 0.1% 的插件上無法檢測(cè)到充電器類型，或產(chǎn)品在指示剩余 15% 電量時(shí)突然斷電等問題，在您出貨一百萬(wàn)臺(tái)時(shí)對(duì)您的產(chǎn)品聲譽(yù)造成災(zāi)難。它還導(dǎo)致顯著的客戶支持成本。設(shè)備過熱時(shí)無法停止充電等問題甚至?xí)砦＜吧陌踩ê拓?zé)任）問題。

這些方面都需要從頭開始仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無論是在硬件還是軟件方面。此處的目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)充電和電量監(jiān)測(cè)遵循 80/20 規(guī)則：獲得 80% 的功能需要 20% 的努力，但剩余 20% 的“最終潤(rùn)色”需要 80% 以上的努力。仔細(xì)的初始設(shè)計(jì)，例如在 Snapdragon Open-Q 系列開發(fā)套件中，提供了一個(gè)良好的開端。

電池選擇：化學(xué)

許多參數(shù)和特性會(huì)影響選擇合適的電池技術(shù)。首先是電池本身的化學(xué)/技術(shù)。大多數(shù)人都熟悉能量密度（圖 1）。各種鋰化學(xué)物質(zhì)是這里的領(lǐng)導(dǎo)者，每單位體積或重量的能量最高。這些將是許多電子消費(fèi)設(shè)備的明顯選擇。

雖然很重要，但能量密度可能不是唯一的決策者。溫度可能是充電/放電的重要因素。鋰電池通常不應(yīng)在 0°C 以下充電，一般規(guī)定在 45°C 左右停止充電。一般來說，它們不應(yīng)該在 60°C 以上運(yùn)行，并且它們包含一個(gè)永久熱熔斷器，以防止在其他安全預(yù)防方法失敗時(shí)發(fā)生災(zāi)難性的熱失控。60°C 似乎超出了設(shè)備的正常運(yùn)行范圍，但在熱車的座椅或儀表板上，幾分鐘內(nèi)即可輕松達(dá)到。戶外使用的消費(fèi)產(chǎn)品也可能面臨低溫限制的挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

除了溫度之外，電池內(nèi)部阻抗和釋放能量的速率也會(huì)影響您的電池選擇。在需要短暫的大電流（如大于 4C）的情況下，基于鎳或鉛的另一種化學(xué)物質(zhì)可能更合適。一個(gè)例子可能是電動(dòng)工具或帶有大顯示器的系統(tǒng)。

鋰是消費(fèi)類移動(dòng)應(yīng)用中最常見的化學(xué)物質(zhì)，各種陰極化合物可用于不同的特性和電池形狀、靈活性和配置。鋰在電壓與充電狀態(tài)、內(nèi)部阻抗行為以及存儲(chǔ)的能量和電壓隨溫度的變化方面具有細(xì)微不同的特性。電量計(jì)芯片制造商將這些稱為“黃金參數(shù)”，并將對(duì)任何電池類型進(jìn)行仔細(xì)表征，以確定在為該電池設(shè)置電量計(jì)時(shí)要使用的適當(dāng)值。

收費(fèi)

對(duì)于特定的電池化學(xué)成分，將有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆独齺頌樵撾姵爻潆?。?duì)于基于鋰的化學(xué)物質(zhì)，該方法涉及三個(gè)特定階段：預(yù)調(diào)節(jié)、恒流和恒壓充電階段。

如果鋰基電池放電超過特定的低電壓，例如通過直接連接到像燈泡這樣的電阻負(fù)載，它們可能會(huì)永久損壞。為了防止這種損壞，大多數(shù)鋰電池組將包含一個(gè)小型保護(hù)電路 PCB，其中包含一個(gè)低壓切斷電路。當(dāng)電池電壓低于 ~2.5 V 時(shí)，保護(hù) FET 打開，電池端子的視在電壓降至 0 V。

在這種情況下為電池充電之前，有必要通過施加小的涓流充電電流（通常為 100 mA）對(duì)電池進(jìn)行“預(yù)處理”。要檢測(cè)是否連接了電池，請(qǐng)施加此電流幾分鐘，然后斷開電流并檢查電池電壓。此過程應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到電池達(dá)到電池供應(yīng)商指定的最低調(diào)節(jié)電壓，通常為 2.8 至 3.0 V。

請(qǐng)注意，大多數(shù)充電器設(shè)計(jì)允許部分或全部外部提供的充電器電流為系統(tǒng)供電（也稱為“旁路”），而不是作為充電電流直接流入電池。除非您的系統(tǒng)可以完全依靠外部電源運(yùn)行（啟動(dòng)和運(yùn)行軟件），否則這種沒電電池的預(yù)充電必須完全由充電器硬件本身管理。

到達(dá)恒流充電段后，充電電流可升高，通常最高可達(dá)1C左右。該電流（以 mA 為單位）大致相當(dāng)于電池的額定容量（以 mA 小時(shí)為單位）。較新的化學(xué)物質(zhì)可以允許更高的充電電流（因此更短的充電周期），尤其是在充電過程中的電池溫度得到仔細(xì)控制的情況下。在這部分期間，電池的電壓將緩慢上升。最大充電電流將影響您對(duì)外部充電器、電纜、連接器等的選擇。

充電電流隨溫度的控制是多個(gè)安全標(biāo)準(zhǔn)的主題，包括 IEEE 1725 和 JEITA。如果在高溫下承受過大的負(fù)載電流，充電器電路本身可能會(huì)損壞，因此充電器電路通常包含基于芯片溫度的熱控制節(jié)流。然而，更重要的是，如果在高溫下充電（或以大電流放電），鋰基電池可能會(huì)遭受災(zāi)難性的熱失控。

為防止發(fā)生火災(zāi)和熔毀的風(fēng)險(xiǎn)，電池通常包含一個(gè)內(nèi)部熱熔斷器，可在 90°C 左右的溫度下永久禁用電池。在達(dá)到此階段之前，系統(tǒng)必須在電池溫度超過限制時(shí)關(guān)閉充電電流。電池制造商將提供溫度限制，但這些通常規(guī)定在 60°C 以上或 0°C 以下不充電。過去，這些都是硬性的開關(guān)充電限制，但 JEITA 標(biāo)準(zhǔn)（在日本是必需的，并且作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)越來越普遍）具有基于電池溫度的更復(fù)雜的充電電流降額曲線（圖 3） 。

對(duì)充電電流進(jìn)行這種細(xì)粒度的控制通常需要軟件和硬件的結(jié)合，例如對(duì)充電閾值的驅(qū)動(dòng)程序級(jí)調(diào)整。但是，僅僅依靠軟件是不可能的。為防止電池過度放電并在高溫下?lián)p壞其他組件，您的系統(tǒng)可能需要在炎熱的環(huán)境中關(guān)閉，例如熱車。在沒有軟件運(yùn)行或軟件故障的情況下，應(yīng)防止啟動(dòng)和充電。請(qǐng)參閱 IEEE 1725 和 IEEE 1625，了解該領(lǐng)域的安全關(guān)鍵要求。

電池的溫度通常由專用熱敏電阻監(jiān)控，該熱敏電阻通常集成在電池組本身內(nèi)部，尤其是在電池與主電路有些隔離的系統(tǒng)中。不過，這可能會(huì)提高電池的價(jià)格，因此在沒有內(nèi)置熱敏電阻的設(shè)計(jì)中，需要仔細(xì)的系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)。

充滿電，終止電流

在恒流充電部分結(jié)束時(shí)，電池將接近其最大電壓，大約為 4.1 至 4.2 V。此時(shí)，充電器必須將其施加的電壓限制在其截止電壓，而充電電流固有地緩慢減少。為這個(gè)恒壓充電部分選擇的電壓會(huì)影響電池的壽命，當(dāng)使用過高的電壓時(shí)會(huì)加速老化。過低的恒定電壓閾值會(huì)導(dǎo)致次優(yōu)的滿充電容量，因此在此進(jìn)行權(quán)衡，通常選擇 4.15 至 4.2 V 左右的電壓。

如果受到永久性外部充電電壓的影響，電池也會(huì)受到化學(xué)損壞，因此當(dāng)充電電流低于某個(gè)閾值時(shí)，充電器會(huì)終止其充電周期并完全移除施加的電壓。這個(gè)水平通常被稱為錐形電流，是調(diào)整充電器電路時(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

如果您的系統(tǒng)一直插在充電器上，當(dāng)電池放電一定百分比的電量或電壓時(shí)，電池將進(jìn)行周期性的“充值”充電循環(huán)。充電系統(tǒng)應(yīng)確保這些充值是迷你充電周期，具有恒定電流和恒定電壓部分。

充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)充電電路通常是專用充電 IC，或者集成在系統(tǒng)的電源管理 IC （PMIC） 中。當(dāng)作為 PMIC 的一部分包含時(shí)，充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以定義一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，所有系統(tǒng)電源都從該主節(jié)點(diǎn)獲得。該節(jié)點(diǎn)可以由外部充電器旁路的電流供電，并且在某些設(shè)計(jì)中還包括同時(shí)從電池補(bǔ)充系統(tǒng)電流的能力。

根據(jù)系統(tǒng)電源負(fù)載，插入式系統(tǒng)可能會(huì)以高速率、節(jié)流速率（因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行正在消耗大量電力）為電池充電，或者同時(shí)使用來自外部電源的所有電力電池放電。充電電流的模式示例和旁路/補(bǔ)充可以在圖 4 中看到。

Qualcomm Snapdragon PMIC 系列中的充電器子系統(tǒng)包括 SMBB 技術(shù)，該技術(shù)可以將充電器電路轉(zhuǎn)換為升壓模式，為充電器電源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生 5 V 電壓，為高耗電相機(jī)閃光燈 LED 供電。

USB Type-C 包含一個(gè)供電規(guī)范，可通過專用充電器協(xié)議通道協(xié)商更高的充電器輸入電壓，以實(shí)現(xiàn)更快的充電。高通支持多種快速充電技術(shù)和技巧，包括基于充電電壓協(xié)商原理的智能協(xié)商最佳電壓（INOV）。提供更高的輸入電壓將提高功率傳輸率，并可以大大減少充電時(shí)間。

氣體計(jì)量

成功的電池供電系統(tǒng)的最后一個(gè)組成部分是能夠在任何給定時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)電池中剩余的能量。這被稱為氣體計(jì)量。為了成功進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于用戶而言，重要的是您的系統(tǒng)不會(huì)意外死機(jī)，同時(shí)最大限度地發(fā)揮電池的能量。讓您的系統(tǒng)因低電壓而突然出現(xiàn)故障既煩人又危險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或丟失。一些設(shè)備，例如帶有電泳電子墨水屏幕的設(shè)備，在電池實(shí)際上沒電的情況下似乎已打開，從而導(dǎo)致用戶困惑、投訴或客戶支持電話。

測(cè)量電池中的能量有兩個(gè)基本原則：將電池電壓映射到當(dāng)前的充電狀態(tài)，以及“進(jìn)必出”。后者聽起來很簡(jiǎn)單，被稱為庫(kù)侖計(jì)數(shù)。電路集成了流入/流出電池的電流，以保持對(duì)電池中電荷（以及能量）的測(cè)量。這在實(shí)踐中存在挑戰(zhàn)，包括：

確定電池的初始充電狀態(tài)

由于內(nèi)阻和泄漏導(dǎo)致的電池自放電

由于內(nèi)部電池阻抗，放電過程中的能量損失

始終準(zhǔn)確測(cè)量放電，包括系統(tǒng)斷電時(shí)的小泄漏，以及大型子系統(tǒng)通電或斷電時(shí)短尖峰中包含的能量

將電池電壓映射到其充電狀態(tài)也有其挑戰(zhàn)：

充電狀態(tài)電壓因電池化學(xué)成分而異（見圖 5）

電池電壓取決于電池的內(nèi)部阻抗：在大電流負(fù)載下電壓降可能很大

充電或放電引起的滯后：電壓可能高于或低于開路“松弛”值，具體取決于達(dá)到充電狀態(tài)的方式

開路電壓隨溫度升高而降低

由于這些挑戰(zhàn)，仔細(xì)跟蹤電池的阻抗對(duì)于有效的電量監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。該阻抗隨電池條件（如老化和充電/放電循環(huán)計(jì)數(shù)）而變化，因此為了獲得最大準(zhǔn)確度，會(huì)為特定電池保持阻抗指紋。這意味著當(dāng)電池更換時(shí)（例如，如果您的系統(tǒng)有一個(gè)用戶可訪問的電池組），您的系統(tǒng)必須識(shí)別并重新評(píng)估新電池組的情況。

總體而言，有效的氣體計(jì)量需要將開路電壓測(cè)量與庫(kù)侖計(jì)數(shù)相結(jié)合。開路電壓（在非常低的系統(tǒng)放電電流下測(cè)量，例如在暫?；蛩郀顟B(tài)期間）根據(jù)電池已知化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)配置文件轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)，如圖 5 所示。

開路電壓測(cè)量可以提供電池充電狀態(tài)的相當(dāng)準(zhǔn)確的點(diǎn)值，特別是如果系統(tǒng)已經(jīng)靜止（或放松）一段時(shí)間，允許充電或放電的任何滯后消退。此測(cè)量有助于繪制電池的最大充電容量與其出廠默認(rèn)最大充電容量的關(guān)系。隨著時(shí)間的推移，最大充電容量將下降，因?yàn)殡姵啬軌蛉菁{的電量越來越少。

因?yàn)槟南到y(tǒng)用例可能通常不允許有效測(cè)量開路電壓（例如連續(xù)變化的系統(tǒng)電流負(fù)載），所以庫(kù)侖計(jì)數(shù)用于跟蹤活動(dòng)期間的能量增加或減少。這可以與電池內(nèi)部阻抗的知識(shí)相結(jié)合，以通過電池電壓跟蹤充電狀態(tài)。

氣體計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要有效地做到這一點(diǎn)，要么需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)軟件，要么利用半導(dǎo)體制造商的知識(shí)和開發(fā)努力，這些制造商設(shè)計(jì)了氣體計(jì)量硬件和固件來有效地實(shí)現(xiàn)這些算法。這可以通過將電量計(jì)量設(shè)計(jì)到電池組本身來完成；作為電源子系統(tǒng) PCB 上的分立式電量監(jiān)測(cè)芯片；或作為系統(tǒng) PMIC 的集成組件。

涉及最少系統(tǒng)集成工作和通常較少集成問題的一種是包裝內(nèi)測(cè)量。它還具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，包括易于跟蹤每個(gè)電池組的老化數(shù)據(jù)和阻抗，易于電池沒電充電和啟動(dòng)（因?yàn)榭梢栽诘图?jí)引導(dǎo)加載程序軟件中輕松地從電池組中檢索電池容量），并且系統(tǒng)集成和調(diào)試工作量非常低。但是，電池組的 BOM 成本可能很高。

分立式氣體計(jì)量芯片解決方案（如圖 6 所示）可提供出色的計(jì)量性能，并可根據(jù)窗口平均系統(tǒng)功耗提供對(duì)參數(shù)的訪問，如空載前的分鐘數(shù)。德州儀器 （TI） 等供應(yīng)商的解決方案封裝了阻抗跟蹤等復(fù)雜算法，并提供可定制的功能，例如確保報(bào)告的充電狀態(tài)盡可能接近單調(diào)遞減。（如果在系統(tǒng)放松期后剩余容量突然從 10% 躍升至 20%，最終用戶可能會(huì)感到困惑并導(dǎo)致投訴）。正如我們將看到的，電量計(jì)與充電器 IC 的分離有時(shí)會(huì)導(dǎo)致一些棘手的邊緣情況。

使用高度集成的系統(tǒng) PMIC 作為充電器/電量監(jiān)測(cè)計(jì)組合解決方案可以實(shí)現(xiàn)完全定制，并且可以提供最低的系統(tǒng) BOM 成本、組件空間和 PCB 復(fù)雜性。包含經(jīng)過道路測(cè)試的驅(qū)動(dòng)程序軟件的解決方案有助于減少軟件開發(fā)和調(diào)整工作，尤其是當(dāng)您密切關(guān)注參考設(shè)計(jì)時(shí)。

配對(duì)的片上系統(tǒng)和 PMIC 解決方案，例如高通公司高度集成的 Snapdragon 處理器系列，為充電、計(jì)量和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換提供了豐富的功能集。它包括驅(qū)動(dòng)用戶反饋 LED 的能力（對(duì)電池沒電充電很有用）、內(nèi)部電池升壓技術(shù)以及電源輸入的內(nèi)置過壓保護(hù)。Qualcomm 的 APQ8016 及其 PMIC PM8916 被設(shè)計(jì)到 Intrinsyc 的 Open-Q 410 SOM 和參考載板上，為充電和計(jì)量解決方案提供 BSP 支持。這減少了選擇電池和電源用例所需的調(diào)整的集成工作量。

氣表參數(shù)定義

無論您使用分立式氣體計(jì)量組件還是 PMIC 集成解決方案，您都需要定義特定于您系統(tǒng)的氣體計(jì)量參數(shù)。其中最重要的是系統(tǒng)的空電壓。該電壓源自系統(tǒng)的死電壓，而死電壓又由系統(tǒng)硬件定義。死電壓是系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的最低電池電壓。各種系統(tǒng)組件都會(huì)影響此決策，包括穩(wěn)壓器的輸入規(guī)格及其降壓或升壓配置。在此死電壓之上，您需要考慮電壓輸入的容差、溫度變化、測(cè)量誤差以及組件打開或關(guān)閉時(shí)發(fā)生的尖峰。最終結(jié)果將是您的系統(tǒng)必須立即關(guān)閉的安全空電壓（參見圖 7）。

定義了系統(tǒng)的空電壓后，您現(xiàn)在需要指定系統(tǒng)的備用容量。這是一個(gè)測(cè)量參數(shù)，最終定義了您的電池何時(shí)達(dá)到 0% 容量，何時(shí)您的系統(tǒng)應(yīng)該干凈地關(guān)閉。這確保了用戶被告知系統(tǒng)關(guān)閉，并且不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)損壞或丟失。儲(chǔ)備容量以能量形式定義，并基于響應(yīng)電池電量和執(zhí)行關(guān)機(jī)所需的運(yùn)行時(shí)間余量。采樣延遲、提供反饋所需的時(shí)間、刷新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和關(guān)閉都是此參數(shù)的輸入。如果沒有正確定義空電壓和備用容量，您的系統(tǒng)將受到斷電的影響，并意外死機(jī)。

總而言之，這里是系統(tǒng)充電/測(cè)量中復(fù)雜邊緣情況的示例。該系統(tǒng)具有提供源系統(tǒng)旁路和充電電流節(jié)流的分立充電器 IC，允許外部輸入電流為電池充電或?yàn)橄到y(tǒng)電源軌供電。分立式電量監(jiān)測(cè) IC 跟蹤充電狀態(tài)，并根據(jù)開路電壓和庫(kù)侖計(jì)數(shù)的組合來保持對(duì)電池完全充電容量的測(cè)量。

允許使用專用充電器 （1 A） 或 USB 電源（小于 500 mA）進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)的 LCD 面板打開并播放視頻時(shí)，系統(tǒng)電源需求約為 800 mA。在 LCD 關(guān)閉的情況下，電源要求小于 100 mA，因此可以通過 USB 電源（最高 350 mA）有效地為電池充電。當(dāng)系統(tǒng)插入 USB 電源并打開和關(guān)閉屏幕時(shí)，電池將從充電模式切換到放電模式。

電量計(jì) IC 監(jiān)控電池組的完全充電容量（根據(jù)老化和循環(huán)，電池可以容納多少）。充滿電的電池可以容納的能量用于計(jì)算/預(yù)測(cè)關(guān)機(jī)容量。每當(dāng)測(cè)量到電池電壓在滿電壓的 85% 以內(nèi)（大于 4.0 V），并且當(dāng)它看到平均充電電流低于終止電流時(shí)，它就會(huì)檢測(cè)到完全充電的情況。

不幸的是，當(dāng)用戶在不合時(shí)宜的時(shí)間打開屏幕時(shí)，電量計(jì) IC 會(huì)將充電節(jié)流（由單獨(dú)的充電器 IC 引起）檢測(cè)為充滿電的情況。平均充電電流降至 0 mA，因此電量計(jì)假定電池已充滿。然后，當(dāng)屏幕關(guān)閉時(shí)，充電恢復(fù)，電量計(jì)最終計(jì)算出電池的能量比預(yù)期的要多。

結(jié)果是，當(dāng)系統(tǒng)后來被拔掉并放電時(shí)，對(duì)完全充電容量的錯(cuò)誤估計(jì)導(dǎo)致系統(tǒng)斷電并立即關(guān)閉，即使用戶被告知還有 20% 的能量剩余。防止這種情況需要仔細(xì)調(diào)整參數(shù)、良好的測(cè)量算法、充電器和測(cè)量電路之間的協(xié)調(diào)以及系統(tǒng)用例的良好設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷