準確的電池充電狀態 （SOC）、較長的運行時間和保質期以及安全性是開發便攜式設備時的關鍵考慮因素。高度集成的新型電量計IC系列解決了這些電池挑戰。通過采用ModelGauge? m5 EZ算法，MAX17301消除了電池特性，大大縮短了上市時間（TTM）。該算法可以準確預測SOC并增強安全性。此外，IC的低靜態電流允許更長的保質期和更長的運行時間。電量計和保護控制的集成提高了安全性，并最大限度地減少了物料清單 （BOM） 和 PCB 面積。

介紹

電量計面臨的一大挑戰是，傳統上，需要獲得最佳的電池SOC精度。 針對特定應用條件對每種電池進行廣泛的表征和分析（圖 1）。這使得它 很難滿足快速的 TTM 目標，因為客戶要么必須自己執行復雜的表征，要么必須發貨 電量計供應商的電池。鋰離子電池運輸安全法規的新更新（如UN 38.3）使這項工作變成了一項復雜的物流工作。電池到達后，電量計 供應商可能需要兩到三周的時間來運行測試并分析結果。

系統設計人員還必須妥善解決與鋰離子電池操作相關的安全風險，因為 虐待可能導致災難性后果。符合 IEC/UL 62368-1 等安全標準 越來越重要。電子設備的保護是增加電池的另一個必要復雜性層 管理流程。

對于大批量應用，系統設計人員還必須降低不安全售后克隆電池的風險， 這會影響系統安全。安全身份驗證可以防止此類克隆。

最后，最終用戶希望系統在兩次充電之間長時間運行（并保持較長的保質期）。 這就是低靜態電流發揮作用的地方，它可以最大限度地減少電池電量的浪費。

該設計解決方案回顧了為運動相機供電的挑戰，并介紹了一種高度集成的新型 克服它們的電量計和保護IC方法。

SOC 準確性挑戰

電池 SOC 從零（電池電量耗盡）到 100%（電池充滿）不等，并決定設備的不受限制的運行時間。 電池建模不當的一個重要后果是SOC不準確，因此對運行時間的估計不佳。 典型運動相機使用模型包括處于活動狀態的 70 分鐘（包括 4k 視頻等活動） 錄音、WiFi或GPS）和90天處于被動狀態（即假期后躺在柜子里）。如果設備 在90天內，在主動模式下消耗1300mA，在被動模式下消耗0.1mA，總共消耗1733mAhr， 這只是最先進的運動相機的電池容量。準確預測電池 SOC 是避免設備操作意外或過早中斷所必需的。10% 的 SOC 錯誤會搶劫用戶 173mAhr，相當于主動使用8分鐘或被動狀態2個月。

我Q挑戰

雖然應用似乎并不關心靜態電流，但許多系統設計人員都非常清楚。 關于保持電池消耗較低以確保設備在被動狀態下不會耗盡電池電量，或者 坐在架子上。

被動運行時持續時間挑戰

除了 SOC 和運行時準確性之外，運行時持續時間也同樣重要。在被動模式下，相同 電池可持續使用長達 24.1 個月。消耗40μA的典型電量計將縮短電池被動運行時間 大約 6.9 個月，這不是一個可以忽略不計的時間。

保質期挑戰

40μA 靜態電流在 12 個月內將消耗高達 346mAh。另一方面，我們的相機電池很可能 由于運輸安全法規，僅收取30%或520mAh的費用。靜態電流消耗 66% 大約 12 個月的運輸后以及相機放在倉庫或商店貨架上的剩余電量。

對于如此高的靜態電流，有兩種選擇。

一種是在保質期內保持電量計“打開”，從而保持 SOC 精度但會損失電量。這個選擇 導致糟糕的用戶體驗，因為客戶被迫在使用設備之前先為設備充電。

另一種選擇是關閉燃油表。現在電荷保留了，但開啟時的SOC不準確。 電量計需要幾個小時的操作才能重新學習電池容量。這里的風險是 用戶可能會被困在任務的中間。

安全挑戰

鋰離子/聚合物電池在各種便攜式電子設備中非常常見，因為它們具有非常 高能量密度，最小的記憶效應和低自放電。但是，必須注意避免過熱或 對這些電池過度充電以防止損壞電池。這有助于避免潛在的危險結果或 爆炸性事件。用于停止放電的普通欠壓 （UV） 保護效率低下，因為它可能是 由太短而無關緊要的放電脈沖觸發。大多數分立式保護器不監控電池溫度 也。需要采取更復雜的保護辦法。

解決方案

例如，圖2中的應用是低I。Q帶保護和 1芯鋰離子/聚合物電池的認證。保護器控制外部高邊 N-FET（圖 2）。 身份驗證可防止電池組克隆。電量計采用Maxim的ModelGauge m5算法。集成電路監視器 電壓、電流、溫度和電池狀態，以確保鋰離子/聚合物電池在 延長電池壽命的安全條件。燃油表和保護控制的集成最大限度地減少了BOM 和PCB面積占用。

圖2.電量計和保護IC。

非易失性存儲器允許IC存儲電池的電量計和保護參數。它還支持年齡預測 以估計電池壽命。生活史記錄為了解使用情況提供全面的診斷 模式、故障分析和保修退貨。

1線（MAX17311）或2線I?2C （MAX17301） 接口提供數據和控制訪問 寄存 器。這些 IC 采用無鉛、3mm x 3mm 14 引腳 TDFN 和 1.7mm x 2.5mm 15 焊球 0.5mm 間距 WLP 封裝。

SOC 精度

ModelGauge m5 算法將庫侖計數器的短期精度和線性度與長期 基于電壓的電量計的穩定性。除溫度補償外，它還提供行業領先的電量計 準確性。電量計 IC 可自動補償電池老化、溫度和放電速率，并提供 在各種工作條件下以毫安小時 （mAhr） 或百分比 （%） 為單位的精確 SOC。

ModelGauge 無需檢測電阻的幫助即可估算電池的開路電壓 （OCV），即使 使用電池表征和實時仿真對電池處于負載狀態。模型儀表算法使用 SOC 和 OCV 之間的關系以預測 SOC（圖 3）。

圖3.基于電壓的電量計。

帶模型儀表 m5 的庫侖計數器

由于庫侖計數器ADC失調誤差，電量計估計的SOC會隨著時間的推移偏離理想SOC 價值。但是，通過使用與庫侖并行運行的內部基于OCV（或僅基于電壓）的估計 相反，電量計IC補償這些誤差，并使產生的SOC回到正軌。這種情況每時每都會發生 三分之一秒，當電池處于負載狀態時，校正是百分之一的一小部分（幾乎不可見）， 正在充電，甚至空載。這是對其他解決方案的改進，其他解決方案需要等到電池 在空載下完全放松幾個小時，然后才能進行任何校正。

ModelGauge 每秒校正庫侖計數器誤差三次，每天超過 200，000 次，步長為 ~0.00001% （圖4）。

圖4.使用M5型儀表進行精確的燃油測量。

無需電池表征

ModelGauge m5 EZ 消除了電池特性。系統設計人員可以使用評估板軟件逐步完成 很少的應用程序細節，并在短短幾分鐘內生成模型，從而大大改進了TTM。馬克西姆有 使用 300 多種不同的電池和 3000 次放電運行仿真，證明該方法可以產生 在超過 97% 的測試用例中，誤差小于 3%。

保質期長

A 7μA IQ（保護FET關閉）有助于防止電池在長時間待機期間耗盡電量，并且 實現較長的保質期和運行時間。7μA 靜態電流在 12 個月內僅消耗約 12% 的電池 剩余電荷與前一種情況的 66% 相比。

或者，IC可以進入僅消耗0.5μA I的寄用模式Q，從而延長保質期。它 可以使用多個選項恢復正常運行，包括在按下按鈕或充電器時打開 連接。恢復正常運行后，電量計可以立即計算 SOC 并重新學習全部容量 在接下來的 1 1/2 個周期內電池。

運行時間長

帶 IQ18μA （FET 導通），電池無源運行時間從 6.9 個月縮短到僅 3.7 個月。

增強安全性

該 IC 集成了高度可編程的鋰離子電池保護器控制，以防止因異常而損壞 電壓、電流、溫度條件，并保證在廣泛的應用中安全充放電。 在同一 IC 上集成保護和電量計可實現更復雜的電池安全方法， 同時防止保護器誤跳閘。特別是，在很短的時間內估計SOC的能力 電池電壓驟降允許IC確定是否適合關斷或繼續工作。

許多電池制造商建議系統充電器隨著電池老化而降低充電電壓。自 實現這一點，系統微控制器可以讀取電量計IC的年齡和周期寄存器。

由于系統微控制器正在控制充電器，因此檢測可能導致充電器 以不安全的方式操作。電量計 IC 具有看門狗，可檢測微控制器的異常系統狀況 并通過進入保護模式來防止失控的充電器損壞電池。

除了主保護器外，如果電池容量較大，許多系統制造商還會實施輔助保護器 冗余保護器。但這種保護器通常只作用于電壓和電流故障條件。燃油表 可以通過根據額外的高度異常溫度和電壓觸發第二級保護器來補充這一點 條件。這包括當它檢測到主保護器 FET 發生故障時。從本質上講，這會導致 出于安全原因，電池被永久禁用。

所有這些增強功能使系統制造商更容易滿足最新的產品安全標準，如IEC。 62368-1/UL62368-1。

結論

我們回顧了與電池 SOC 精度、運行時間、保質期和安全性相關的電量計挑戰，并引入了新的 高度集成的IC系列和開發協議可應對這些挑戰。通過實施模型儀表 m5 EZ算法，消除了IC的電池特性，大大提高了TTM。系統設計人員可以使用EV 在短短幾分鐘內生成模型的工具包。該算法可以準確預測SOC并增強安全性。 最后，電量計 IC 的低靜態電流可實現更長的保質期和更長的運行時間。集成 電量計和保護控制進一步提高了安全性，并最大限度地減少了BOM和PCB面積占用。

審核編輯：郭婷