本文討論了電池管理系統(tǒng)對(duì)始終在線可穿戴設(shè)備的獨(dú)特需求。它檢查了Maxim Integrated的可簡(jiǎn)化可穿戴電池充電和維護(hù)的電池管理芯片，然后研究了Adafruit Industries的兩個(gè)電池。

　　在消費(fèi)類設(shè)備中使用可充電電池

　　可穿戴設(shè)備是消費(fèi)產(chǎn)品，因此受消費(fèi)者對(duì)客戶滿意度的定義的影響。消費(fèi)者期望充電之間的時(shí)間很長(zhǎng)（“很長(zhǎng)”是消費(fèi)者主觀的），并期望電池在需要更換之前可以使用很多年。后一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備通常不適合消費(fèi)者使用——沒有可以撬開電池的蓋子，并且不鼓勵(lì)消費(fèi)者卸下背面的那些小螺絲。

　　在運(yùn)行時(shí)，電池和可穿戴設(shè)備應(yīng)該能夠承受人們?cè)诎滋焱ǔ?huì)遇到的各種溫度和條件。此外，所選的電池化學(xué)成分必須具有非常高的能量密度，以便能夠在一個(gè)小包裝中包含大量電力。

　　雖然有許多電池化學(xué)成分可供選擇，但鋰離子電池已成為大多數(shù)消費(fèi)類可充電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。鋰離子電池具有非常高的能量密度，與最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手鎳鎘 （NiCad） 電池相比，相同封裝中的瓦時(shí) （Wh） 容量是其兩倍。鋰離子電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電池電壓為 3.6 伏 ±1 伏，這意味著可穿戴設(shè)備可以由單個(gè)電池供電。

　　工程師不應(yīng)設(shè)計(jì)具有需要積極客戶維護(hù)的電池化學(xué)成分的可穿戴設(shè)備。這不包括具有化學(xué)記憶的鎳鎘電池，需要客戶進(jìn)行定期充電循環(huán)（即完全放電然后完全充電）。鋰離子電池沒有化學(xué)記憶，無需充電循環(huán)以保持容量。

　　然而，與鎳鎘電池不同，鋰離子電池在系統(tǒng)中確實(shí)需要電子維護(hù)。鋰離子電池不是簡(jiǎn)單地通過施加電壓來充電的。相反，必須使用恒流源、恒壓源或兩者的組合對(duì)它們進(jìn)行仔細(xì)充電。在充電過程中，必須使用電池保護(hù)電路來防止可能損壞電池甚至使其無法使用的電壓或電流尖峰。鋰離子電池也可能因極端高溫或低溫而損壞，因此需要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。極度寒冷會(huì)使鋰離子電池失效并使其無法使用。極端高溫對(duì)鋰離子電池可能是危險(xiǎn)的，并可能導(dǎo)致熱失控：隨著電池變熱，它釋放的能量越多，使其變得更熱，從而導(dǎo)致其釋放更多能量。

　　即使電池未使用，鋰離子電池也會(huì)老化。隨著時(shí)間的推移，鋰離子電池會(huì)失去容量，需要更頻繁的充電。電池制造商通常不會(huì)具體說明隨時(shí)間損失多少容量。雖然對(duì)于由五個(gè) 3.6 伏電池組成的電池組而言老化可能并不明顯，但對(duì)于單個(gè) 3.6 伏電池而言，老化可能是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。電池電量計(jì)（有時(shí)稱為電量計(jì)）應(yīng)顯示容量隨時(shí)間的損失，以便補(bǔ)償差異。

　　永遠(yuǎn)在線的可穿戴設(shè)備對(duì)電池的獨(dú)特需求

　　對(duì)于電池供電的消費(fèi)類設(shè)備，用戶期望可靠且一致的電池電量表。消費(fèi)者明白，如果多用途移動(dòng)設(shè)備播放視頻；與設(shè)備空閑時(shí)相比，電池電量表會(huì)下降得更快。但是，對(duì)于始終在線的可穿戴設(shè)備，用戶希望電池電量表讀數(shù)（以百分比、條形或兩者顯示）以一致且可預(yù)測(cè)的速度下降。手腕上有可穿戴設(shè)備的用戶每天都會(huì)查看它，并會(huì)注意到不一致之處。例如，如果隨著時(shí)間的推移，設(shè)備的電池每天持續(xù)損失 10% 的電量，而某天突然顯示電量減少 25%，用戶會(huì)注意到，甚至可能會(huì)向制造商投訴。出于這個(gè)原因，設(shè)備的電池管理電路必須準(zhǔn)確地監(jiān)控和維護(hù)電池的健康狀況，以提供準(zhǔn)確的儀表讀數(shù)。

　　到目前為止，可穿戴設(shè)備中電池最明顯的限制是尺寸。如今，大多數(shù)可穿戴設(shè)備使用單個(gè) 3.6 伏鋰離子電池供電。需要注意的一個(gè)因素是，即使是維護(hù)良好且健康的鋰離子電池在負(fù)載下仍會(huì)變熱并膨脹。因此，雖然可穿戴設(shè)備已經(jīng)受到空間限制，但設(shè)計(jì)人員仍必須在外殼中留出空間用于電池?cái)U(kuò)展，以避免潛在的安全問題。

　　在處理接近 3.6 伏的小電壓時(shí)，可穿戴電池不太可能出現(xiàn)損壞的電流尖峰。但是，多個(gè)同時(shí)傳感器激活和事件的錯(cuò)誤組合可能會(huì)產(chǎn)生異常大的電流尖峰，這可能會(huì)損壞電池。幸運(yùn)的是，由于涉及典型的小電壓和電流，保護(hù)是一件相對(duì)簡(jiǎn)單的事情。

　　可穿戴設(shè)備的電池管理

　　如前所述，鋰離子電池需要對(duì)其輸出電壓、電流消耗和溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。此外，監(jiān)控功能必須隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定和可靠，從主要產(chǎn)品差異化中占用時(shí)間和資源。

　　幸運(yùn)的是，使用專門為該任務(wù)設(shè)計(jì)的 IC 可以大大簡(jiǎn)化監(jiān)控功能。Maxim Integrated 的MAX17301X+具有電池保護(hù)功能的單節(jié)電量計(jì)就是其中之一。這是用于單節(jié) 3.6 伏鋰離子電池的完整電池管理系統(tǒng)（圖 1）。

圖 1：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 是一個(gè)完整的鋰離子電池管理系統(tǒng)，可監(jiān)控、保護(hù)單節(jié) 3.6 伏電池并安全充電。它使用標(biāo)準(zhǔn) I 2 C 接口與大多數(shù)微控制器連接。（圖片來源：美信集成）

　　MAX17301X+ 采用 15 引腳 WFBGA 封裝，尺寸為 1.68 x 2.45 毫米 （mm），特別適合可穿戴應(yīng)用。使其適用于可穿戴設(shè)備的還有它的電流消耗，激活時(shí)僅為 24 微安 （μA）。

　　MAX17301X+集成了管理3.6伏鋰離子電池的許多復(fù)雜任務(wù)。充電 FET 和放電 FET 用于為電池和可穿戴系統(tǒng)提供電力。當(dāng)電池連接到 IC 時(shí)，MAX17301X+ 會(huì)持續(xù)監(jiān)控端子電壓、流經(jīng)外部檢測(cè)電阻的電流以及 IC 和電池的溫度。

　　為了避免前面提到的與溫度相關(guān)的問題，可以使用兩個(gè)溫度傳感器：一個(gè)內(nèi)部傳感器和一個(gè)外部電池傳感器。外部傳感器連接到 TH 引腳。外部溫度傳感器可以在電池內(nèi)部，也可以靠在電池上。如果省略外部溫度傳感器，建議將 MAX17301X+ 放置在電池側(cè)面，以便內(nèi)部傳感器反映電池溫度。充電和放電 FET 也應(yīng)放置在 MAX17301X+ 附近，以便將其熱量納入分析。

　　MAX17301X+ 使用標(biāo)準(zhǔn) I 2 C 接口與主機(jī)微控制器通信。該 IC 具有可編程寄存器，可根據(jù)電池制造商的規(guī)格設(shè)置警報(bào)限制和條件。這些初始值可以由主機(jī)微控制器編程或在可穿戴設(shè)備的工廠測(cè)試期間設(shè)置。大多數(shù)值都存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 寄存器中，因此即使取出電池，MAX17301X+ 仍會(huì)保留這些值。為確保數(shù)據(jù)完整性，校驗(yàn)和寄存器用于驗(yàn)證 NVM 寄存器。

　　放電保護(hù)

　　在電池放電期間，MAX17301X+提供三種形式的放電保護(hù)：過流、過熱和欠壓。

　　過多的電流消耗會(huì)降低電池的可用容量，將電池?fù)p壞到無法使用的位置，甚至導(dǎo)致其著火。過流放電保護(hù)可在 70 微秒 （μs） 內(nèi)快速禁用可穿戴設(shè)備的電源。如果發(fā)生短路，這一點(diǎn)尤其重要。對(duì)于小電流尖峰，它的響應(yīng)也可以慢至 23 秒。

　　高溫可能與過電流產(chǎn)生相同的影響。如果片上溫度傳感器或外部傳感器達(dá)到編程水平，過溫放電保護(hù)可以關(guān)閉可穿戴設(shè)備。發(fā)生這種情況時(shí)，MAX17301X+ 將不允許打開可穿戴設(shè)備，直到溫度降至安全水平。MAX17301X+ 還具有永久故障熱保護(hù)設(shè)置。如果檢測(cè)到嚴(yán)重過熱，該事件將存儲(chǔ)在 MAX17301X+ 中，并且充電和放電 FET（如圖 1 所示）永久禁用，從而禁用可穿戴設(shè)備。這是防止熱失控的最后一道防線。

　　低于電池制造商指定電壓的電池電壓也會(huì)損壞電池。欠壓放電保護(hù)提供三個(gè)級(jí)別的保護(hù)：

　　欠壓保護(hù)可用于關(guān)閉放電 FET 以禁用可穿戴設(shè)備的電源

　　欠壓關(guān)斷是一種較低的電壓設(shè)置，可關(guān)閉放電 FET 并關(guān)閉 MAX17301X+，以節(jié)省每納瓦功率

　　如果 MAX17301X+ 確定可穿戴電子設(shè)備存在開路， SmartEmpty會(huì)關(guān)閉放電 FET 以節(jié)省電力

　　充電保護(hù)

　　在電池充電期間，提供與放電類似的保護(hù)。MAX17301X+ 具有廣泛的可編程電池保護(hù)寄存器設(shè)置，幾乎可以對(duì)電池維護(hù)的各個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制（圖 2）。充電電壓和電流在 MAX17301X+ 中根據(jù)電池制造商的規(guī)格進(jìn)行編程。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 具有廣泛的可編程功能，允許設(shè)計(jì)人員微調(diào)電池保護(hù)以保持電池壽命和安全性。（圖片來源：美信集成）

　　MAX17301X+可用于為六種不同溫度范圍指定充電電壓和電流，從而為電池安全充電。過充電保護(hù)也由設(shè)計(jì)師設(shè)置。由于這些充電參數(shù)是特定于電池的，可穿戴設(shè)備制造商不鼓勵(lì)更換電池，因?yàn)楦鼡Q電池的規(guī)格可能與工廠安裝的規(guī)格不同。這可能會(huì)導(dǎo)致電池壽命不佳或不安全的可穿戴設(shè)備。

　　可以針對(duì)不同的溫度范圍設(shè)置過充電電流保護(hù)和過充電電壓保護(hù)。如果超出設(shè)定限值，MAX17301X+ 會(huì)嘗試降低電壓和電流，禁用充電 FET 以停止充電，或者在極端故障情況下永久禁用充電 FET。充電溫度保護(hù)與額外的保護(hù)相同，即在極冷的溫度下暫時(shí)禁用充電以避免對(duì)電池造成永久性損壞。

　　電池狀態(tài)和健康

　　MAX17301X+ 還保持可穿戴設(shè)備的電池電量計(jì)讀數(shù)。估計(jì)電池狀態(tài)的最常用方法是庫(kù)侖計(jì)數(shù)。這保持了充電和放電操作期間電流流動(dòng)的歷史記錄。換句話說，庫(kù)侖計(jì)數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷計(jì)算流入和流出電池的總庫(kù)侖數(shù)。MAX17301X+使用圖1所示的檢測(cè)電阻持續(xù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的電流。庫(kù)侖計(jì)數(shù)法使用一種算法來計(jì)算電池的充電狀態(tài)（SOC），以百分比表示。在可穿戴設(shè)備上，電池電量表將此 SOC 表示為可用容量的百分比。

　　MAX17301X+ 使用類似于庫(kù)侖計(jì)數(shù)的 Maxim Integrated 專有方法，稱為 ModelGauge m5? 算法來準(zhǔn)確計(jì)算 SOC。主機(jī)微控制器可以通過 I 2 C 接口讀取該值以顯示在可穿戴設(shè)備上。

　　另一個(gè)確定電池狀態(tài)的有用值是通過計(jì)算電池的健康狀態(tài) （SOH） 得出的。這是電池可用滿容量與新電池指定滿容量的百分比。參考前面提到的老化，隨著電池老化，SOH會(huì)降低。

　　可穿戴設(shè)備電池

　　可穿戴設(shè)備的電池選擇會(huì)立即受到尺寸的限制。可穿戴電池將是單個(gè)鋰離子電池，可能包括也可能不包括保護(hù)。盡管電池?cái)?shù)據(jù)表帶有推薦的規(guī)格，但工程師應(yīng)在不同條件下對(duì)電池進(jìn)行充電和放電試驗(yàn)，以準(zhǔn)確評(píng)估電池在最終產(chǎn)品中的性能。

　　Adafruit 4237鋰離子聚合物電池的額定電壓為 3.7 伏和 350 毫安時(shí) （mAh）。使用電纜，電池組的尺寸為 55 x 25 毫米。如果沒有電纜，它的尺寸為 31 x 25 毫米，略大于美國(guó)四分之一。

　　4237 電池指定以恒定電流和電壓充電，建議充電電流在 100 至 350 mA 范圍內(nèi)，充電電壓為 3.7 伏。雖然規(guī)定為 3.7 伏，但根據(jù)溫度和電流負(fù)載，完全充電時(shí)可顯示高達(dá) 4.2 伏的電壓。在將電池管理 IC 設(shè)置為電池規(guī)格時(shí)，這一點(diǎn)很重要。

　　4237 電池帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)部電壓保護(hù)電路，如果電池電壓降至 3.0 伏以下，它將暫時(shí)禁用電池輸出。保護(hù)電路還可以防止電池過度充電。

　　與許多小型鋰離子電池一樣，4237 沒有內(nèi)部溫度傳感器或溫度保護(hù)電路。強(qiáng)烈建議使用像 MAX17301X+ 這樣的電池管理芯片來保護(hù)它免受溫度或電流故障的影響。

　　為了增加容量，Adafruit配備4236 3.7 伏鋰離子電池，額定容量為 420 mAh。它的尺寸為 35 x 47 毫米（不含電纜），比 4237 稍大，但容量增加了 20%。充電規(guī)格與 4237 相同，只是充電電流可高達(dá) 420 mA。它具有與 4237 相同的基本保護(hù)電路，因此也可以從電池管理芯片中受益。

　　結(jié)論

　　為始終開啟的可穿戴設(shè)備管理鋰離子可充電電池可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)樵S多電池的保護(hù)功能有限或沒有。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和電池充放電管理會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。然而，由于可用的可編程電池管理芯片可以大大簡(jiǎn)化任務(wù)，同時(shí)保持電池、系統(tǒng)和用戶的安全，設(shè)計(jì)人員不必從頭開始設(shè)計(jì)保護(hù)。