三种电量计在手持设备中的实现方法
图3 电池充放电示意
电量计按其位置来分,可以分为两种:电池侧电量计和系统侧电量计。电池侧电量计解释电量计量芯片直接设计在电池组中,电量计芯片永远检测一个电池,能够实时检测电池的充放电、自放电和自身老化等等,即使电池未被使用时,这些电池参数在实时地检测。该种电量比较精确,但是成本较高,电池接口复杂,系统对电池的兼容性较差。
而系统侧电量计是指电量计设计在系统侧而不是在电池组里,这样可以避免电池组的重新设计,减小的电池的管脚,系统可以兼容更多的电池。并且便携式设备要求电池体积越来越小,而容量越来越大,在系统侧实现电量计比在电池中实现更为简单便捷。但是,系统侧的电量计需要更为复杂的软件算法,解决电池的初次预估的问题、兼容不同特性电池的问题等等。
2,STC3100介绍和设计注意事项
STC3100是带库仑计的电池监控芯片,它能够监控电池的电压、温度、和电流,集成一个可编程的12~14位的ADC,硬件积分器用于库仑计功能的计算,所测电流最大可达2.5A,积分器可以用7000mAh的电池,分辨率可达0.2mAh. 其内部框图如图4所示。
图4 STC3100内部框图
STC3100带有一个I2C接口与处理器端进行通讯,并且集成了32bytes的RAM,用于存储电池的电量或其他特性信息。GPIO管脚可以用来作为电池低压报警使用,其应用框图如图5所示。
图5 STC3100电量计量框图
STC3100中的库仑计需要一个32.768kHz的时钟,用于作为计算电量的时基,其精度直接影响电量的计算精度。 STC3100支持内部和外部的时钟,外部时钟优先的原则,并且能够自动检测是否存在外部时钟源,也可以通过设置寄存器设置成强制使用外部时钟源。如图6所示,如果用内部时钟,一个200kohm 0.1%的电阻连接与Rosc管脚和地之间,内部时钟精度在其供电电压和工作温度范围内为2.5%。为得到更高的精度,只能采用外部输入高精度时钟源的方式。
图6 STC3100的两种时钟源
电流采样电阻Rcg是用采集流入或流出电池的电流,由于ADC采样的限制,该电阻的压降不能超过+/-80mV,所以,该阻值由应用中最大的峰值电流决定,如式一。如果峰值电流为2A,那么该阻值可以选择33mohm。
R_cg (Ohm)≤0.08A (1)
电流电阻上的电压经ADC采样后放置于REG_CURRET(06H和07H)寄存器中,而ADC的LSB是11.7uV,这样就可以按式二计算实际流过的电流值:
I(mA)=REG_CURRET×11.77/R_cg (2)
同时,STC3100会把Rcg两端的电压值与采样周期相乘后放入28位的累加器中,其中的高16位会放入REG_CHARGE(02h和03h)寄存器中,其实际的电量可以按式三计算。
Charge (mA.h)=6.70×REG_CHARGE/R_cg (3)
STC3100自身的供电管脚Vcc和电池电压检测管脚Vin是分开的,如图7所示,这样很容易可以在电压检测管脚加入R2(1kohm)和C2(47nF~220nF)组成的ESD 保护和滤波电路,而电阻R1(150ohm)和齐纳二极管D1(5.6V)组成对Vcc的ESD保护电路,从而不会影响对电池电压的检测精度。电池电压和温度经ADC采样后分别放于REG_VOLTAGE 和REG_TEMPERATURE寄存器中,按照式三和式四可以分别计算出电池的实际电压和温度值。
Vbat(mV)=REG_VOLTAGE×2.44 (4)
Vtem(℃)=REG_TEMPERATURE×0.125 (5)
STC3100的GND管脚要用一个PCB走线连接与电阻的地端,确保所有的电流都是流过该电阻的,避免产生电流的检测误差。
图7 STC3100的电源管脚和电池电压监控管脚
3,软件设计与验证
STC3100寄存器中可以直接读出电量的变化值、电池电压、电流、温度等数据,系统处理器需要在上电时,配置STC3100的寄存器,启动其电量计数功能,如果是第一次上电,需要通过检测的电池电压进行电池容量的初次预估。完成初次预估后就可以进行实时的电池电量的实时计算,软件的流程如图所8示。
图8 软件流程框图
电池的容量会随温度、充放电
- 在多节电池组应用中使用DS2755电池电量计(01-16)
- 电池电量计:以精度制胜(07-31)
- 满足所有设计的电量计(07-12)
- 基于DS2770的非稳压电源脉冲充电器设计(03-15)
- 大范围的电量计(09-05)
- TI阻抗跟踪电池电量计微调(02-12)