精确测量小电流
对于给定大小的感测电阻，电流测量ADC的偏移误差每每限制了其能够测量的最小电流级，致使在低感测电阻值和所需死区(这里因为电流级太低，无法集聚电荷流)之间必须进行大幅折中。最近，大多数设备制造商都在寻找降低耗电量，并尽可能保持低功耗模式的方法，使确保小电流获得精确测量的技术变得愈发重要。
电流测量的度偏移
要精确测量μV数量级电压本身就颇具挑战性，而在芯片经受温度变化时实现精确测量更是困难，因为即使是一部主要在室内工作的笔记本电脑，还是会经历温度变化。例如，在电池均衡管理期间，BMU内部的一个FET以最大功率消耗电池的能量，致使芯片温度大幅上升。与偏移有关的许多参数都有较大的温度偏移，如果不消除这些效应，将影响到测量精度。爱特梅尔的偏移校准方法已获证明在考虑到温度效应时也非常有效。如图2所示，温度效应被完全消除，从而确保偏移不再对测量精度造成影响。
带隙基准电压的特性及其对电压测量的影响
带隙基准电压是获得高精度结果的关键因素。来自固件预期值的实际基准电压值偏差会转化为测量结果的增益误差，而在大多数情况下，这是电池电压测量和大电流测量中最主要的误差源。
标准带隙基准电压是由一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流和一个与绝对温度成互补关系(CTAT)的电流两部分相加组成，可提供不受温度变化影响而且相对稳定的电流。这个电流流经电阻，形成不受温度变化影响而且相对恒定的电压。不过，由于CTAT的形状是曲线，而PTAT是线性的，所以得到的电压-温度关系图形也是曲线。
 图3 无曲率补偿的带隙结果
带隙基准源中的电流级存在一定的生产差异(production variation)，使得25℃时的基准额定值、曲率形状和曲线最平坦部分的位置都会发生各种变化，因此需要进行工厂校准，以尽量减小这种变化的影响，图3所示为一个未校准基准源带来的变化实例。在-20～+85℃的温度范围内，最高差异为-0.9～0.20%。而图3则显示有两个离群点的曲线跟大多数其他器件的曲线有相当大的差异。
 图4 带曲率补偿的带隙
BM器件新颖的基准电压校准方法
为了在各种温度变化下获得更好的性能，爱特梅尔增加了一个额外的基准电压校准机制，用以调节带隙基准源的温度系数。这个校准步骤将调节曲率的形状和位置，并显著改善随温度变化的稳定性，如图4所示，在-20～+85℃温度范围内的最大变化是0.5%。注意第二个校准步骤可以检测和显示出具有截然不同的曲线形状的离群点。
 图5 包含温度偏移的电压测量精度
基于生产测试成本因素，一般情况下BM器件是不执行第二个校准步骤的。因为行业规范是只在一个温度下测试封装器件，而第二次校准则需要在两个温度下对封装器件进行精确的模拟测试，所以加入具有高模拟精度要求的第二个测试步骤通常都会大幅度增加成本。
爱特梅尔则开发出了一种新颖的方法，能以尽量少的额外成本来执行第二个测试步骤。传统上，第二步测试需要高精度测量设备和复杂的计算操作。此外，对每一个待测器件，第一步测试的数据必须存储，然后在第二步测试中恢复。这些要求都会提高测试成本。爱特梅尔的专有技术充分利用BM单元本身具有的特性，把测试设备要求降至最低：通过精确的外部基准电压，利用板上ADC来执行测量；利用CPU来执行必须的计算任务；以及利用闪存来存储第一步的测量数据。因此，只要利用成本非常低的测试设备便可以获得精度极高的结果。通过这种方法，爱特梅尔便能够以极低的额外测试成本来提供业界领先的性能。
 图6 基于电流测量精度的电量计精度结果 带温度偏移的电压测量精度
当电池达到完全放电或完全充电状态时，电压测量便会决定什么时候关断应用或停止对电池充电。因为最大和最小电池电压的安全考量都是不能打折扣的，故须内置一个保护带(guard band)，以确保所有情况下都能安全工作。电压测量精度越高，需要的保护带便越小，实际电池容量的利用率也会越高。在给定的电压和温度下，电压测量可被校准，而该条件下的电压测量误差将极小。当考虑到温度偏移时，测量误差的主要来源是基准电压漂移。图5显示了使用标准基准电压相比曲率补偿基准电压所带来的不确定性。如图5所示，曲率补偿可显著提高精度。
结语
要最大限度地使用电池每次充电后的能量，尽量延长电池组的寿命，同时又不牺牲电池组的安全性，高的测量精度至关重要。为了避免增加校准成本，BMU的固有精度必须尽可能地高。此外，通过能够充分利用MCU板上资源的灵活新颖的校准技术，便可以最小成本实现良好的基准，消除温度的影响。
图6所示为32小时内，一个10Ah电池的放电周期，分别是3h/1.5A，7h/0.6A，以及22h/60mA。温度变化为±10℃，使用的是5mΩ的感测电阻。采用带普通校准方法的标准BMU，电荷积聚中的误差大于400mAh，在这个例子中相当于10Ah电池的4%以上。爱特梅 尔的解决方案由于采用了整合有专有校准方法的灵活模拟设计，能够大大提高精度。基于这些改进，误差可被降至20mAh以下，相当于0.2%。
编辑：博子 | | | |
