【導讀】穿戴式設備正在推動一個極具吸引力且成長快速的市場，其中智能手表(Smart Watch)持續(xù)保持主導地位。在這種密集且競爭激烈的環(huán)境下，每一個制造商都力爭將產(chǎn)品率先投入市場，而消費者則需要其裝置具有最精確、最長的電池運作時間(圖1)。本文討論與電池容量管理關鍵功能密切相關的要求，并提出一種能夠克服挑戰(zhàn)的顛覆性技術。
圖1：智能手表發(fā)出充電完成的訊號。
上市時間的挑戰(zhàn)
最佳的電池性能依賴于驅(qū)動電量計算法的高精準度及高質(zhì)量電池模型?；ㄙM大量時間進行客制的特性分析能夠獲得高精準度的電池性能、最小化電池電量(SOC)的誤差，以及正確預測電池何時接近沒電的狀態(tài)。
儲存在電池中的能量(以mAhr為單位)依賴于多種參數(shù)，如負載和溫度。因此，開發(fā)者必須在各種條件下對電池進行特性分析。在選取了與電池行為一致的模型后，即可將其裝載到電量計芯片。這種嚴密的監(jiān)控過程能夠?qū)崿F(xiàn)更安全的電池充電和放電。
由于電量計特性化只能滿足大量生產(chǎn)的客戶，不能顧及所有其他客戶，不僅帶來了上市時間的問題，也成為制造商發(fā)展的阻礙。傳統(tǒng)上，IC供貨商專注于高產(chǎn)量的應用，因為模型選取通常需要大量的實驗室工作，而只有少數(shù)IC供貨商擁有所需的資源。
電池運作時間的挑戰(zhàn)
較差電池模型所帶來的嚴重后果之一就是運作時間估算不準確。典型的智能手表使用模型在為期1天的循環(huán)過程中，包括5小時主動狀態(tài)(包括對時、通知、app使用、音樂播放、通話，以及訓練)和19小時被動狀態(tài)(僅對時)。為期1天的循環(huán)中，如果裝置在主動模式下的功耗為40mA，在被動模式下的功耗為4mA，那么將消耗總共276mAh，正好是典型智能手表電池的大約容量。為避免裝置操作的非預期或過早中斷，就必須準確預測電池運作時間。
運作時間的持續(xù)時間也同樣重要。被動模式下，同一電池可能維持長達69小時(276mAh/4mA)。功耗為50μA的典型電量計將縮短大約52分鐘的電池被動運作時間，是不可忽略的時間量。
EZ解決方案
Maxim Integrated開發(fā)了一種算法，能夠準確估算電池的充電狀態(tài)，且能夠安全地運用在大多數(shù)電池上。該算法在研究了常見鋰電池特性后開發(fā)。
ModelGauge m5 EZ算法(簡稱EZ)采用針對具體應用的電池模型，嵌入到電量計IC內(nèi)部。設計師利用評估套件所提供的簡單組態(tài)精靈，可產(chǎn)生電池模型。系統(tǒng)設計師只需提供三條訊息：
1.容量(通常會顯示在電池卷標或數(shù)據(jù)表)；
2.沒電時所對應的電池電壓為(依賴于應用情形)；
3. 電池充電電壓(是否高于4.275V)。
使用EZ，系統(tǒng)設計師不再需要執(zhí)行特性分析，因為這實際上已由電量計供貨商完成。
包含在EZ算法中的多種適應機制能夠幫助電量計學習電池特性，進一步提高精準度。這樣的算法可保證電池電壓接近沒電時，電量計輸出收斂到0%，因此，電量計能夠在電池電壓達到?jīng)]電的同時準確指示SOC為0%。
如果我們假設SOC預測的系統(tǒng)誤差預算為3%，EZ模型能夠覆蓋95.5%的放電測試用例——非常接近人工定制模型的性能，后者覆蓋97.7%的測試用例。如圖2所示，當電池接近沒電時，EZ方法的表現(xiàn)也是一樣的，這點特別重要。
圖2：EZ系統(tǒng)誤差性能。
對于許多使用者來說，僅知道SOC或剩余電量是不夠的，他們真正想知道的是剩余電量可提供多少運作時間。最簡單的方法，例如將剩余電量除以當前或預期負載，可能會造成估算結果過于樂觀。EZ算法能夠根據(jù)電池參數(shù)、溫度、負載效應，以及應用的空電壓，提供精準度高出很多的剩余運作時間估算結果。
有了EZ算法，大產(chǎn)量的制造商可將EZ作為快速開發(fā)的起始點；在具有運作雛型之后，即可選擇精細調(diào)諧過的電池模型。而小產(chǎn)量的制造商可利用EZ為電池建立配對模型，并可以兼容絕大多數(shù)電池。
采用ModelGauge m5 EZ的單電池電量計
EZ算法被內(nèi)建到MAX17055獨立式單電池電量計IC中。裝置擁有0.7μA關機電流、7μA休眠模式電流和18μA運作電流，可理想用于電池供電的穿戴式裝置，還可透過I2C接口存取數(shù)據(jù)和控制緩存器。
系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析
圖3所示為系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。從柱狀圖可以看出，接近電池沒電時，MAX17055在大多數(shù)測試用例(26個中的15個)下的誤差在1%以內(nèi)。
圖3：系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。
運作時間精準度競爭優(yōu)勢
接近沒電時的低誤差可確保電池電量最佳的使用，最大程度延長運作時間，以及最小化操作裝置的非預期或過早中斷。
運作時間延長競爭優(yōu)勢
使用具有低靜態(tài)電流的電量計IC，可有效延長運作時間。MAX17055的靜態(tài)電流為18μA，比最相近競爭裝置的靜態(tài)電流低64%。此外，在低功耗休眠模式下，裝置僅消耗7μA電流。將其應用到以上討論的情況，可將受影響的運作時間從52分鐘降低到7分鐘——實質(zhì)性的性能改善。
總結
本文重點討論了有效率的電量計系統(tǒng)中電池建模的重要性，以最大化電池運作時期的精準度和持續(xù)時間，還探討了取得高精準度電池模型的障礙，這一障礙將延長上市時間、影響低產(chǎn)量電池應用的擴散。MAX17055內(nèi)建一種以ModelGaugem5EZ算法為基礎的顛覆性方法，使電池系統(tǒng)開發(fā)更快速、更簡單、更具成本效益，并為廣泛的應用提供更好得電池性能。
作者：Nazzareno (Reno) Rossetti，Maxim Integrated資深作者；Bakul Damle，移動電源事業(yè)管理部總監(jiān)。
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