想象一下，你的女兒在沖浪板上捕捉她的第一波，你的攝像機關(guān)閉了，因為電池（幾分鐘前你開始拍攝時讀數(shù)半滿）突然沒電了。問題是電池電量計不準確。不準確的電量計是一個常見的麻煩，因為許多便攜式設(shè)備直接從電池電壓中獲得剩余電池容量。這種方法很便宜，但不準確，因為電池電壓和容量之間的關(guān)系對溫度、負載條件和使用歷史有著復(fù)雜的依賴關(guān)系。

通過不僅監(jiān)測電池電壓，而且通過跟蹤進出電池的電荷，可以實現(xiàn)更準確的電池測量。對于需要精確電池氣體測量的應(yīng)用，LTC2941 和 LTC2942 庫侖計數(shù)器是小巧且易于使用的解決方案。這些功能豐富的設(shè)備體積小，集成度高，可輕松安裝到最新的手持設(shè)備中。

LTC?2941 是一款電池電量計器件，專為與單節(jié)鋰離子電池和具有 2.7V 至 5.5V 端電壓的其他電池類型配合使用而設(shè)計。精密庫侖計數(shù)器通過電池正極端子與負載或充電器之間的檢測電阻集成電流。高端檢測電阻可避免在應(yīng)用中分割接地路徑。充電狀態(tài)在累積電荷寄存器 （ACR） 中不斷更新，可通過 SMBUS/I 讀取2C 接口。LTC2941 還具有用于累積充電的可編程高門限和低門限。如果超過閾值，設(shè)備將使用 SMBUS 警報協(xié)議或通過在內(nèi)部狀態(tài)寄存器中設(shè)置標志來傳達警報。

LTC2942 為 LTC2941 的庫侖計數(shù)器功能增加了一個 ADC。ADC測量電池電壓和芯片溫度，并為這些量提供可編程閾值。

LTC2941 和 LTC2942 是引腳兼容型，并采用纖巧型 6 引腳 2mm × 3mm DFN 封裝。正常工作時，每個器件的功耗僅為 75μA。圖 1 示出了監(jiān)視單節(jié)鋰離子電池充電狀態(tài)的 LTC2942。

圖1.利用 LTC2942 監(jiān)視單節(jié)鋰離子電池的充電狀態(tài)。

模擬積分器可實現(xiàn)精確的庫侖計數(shù)

電荷是電流的時間積分。LTC2941 和 LTC2942 采用一個連續(xù)時間模擬積分器，根據(jù)檢測電阻器 R 兩端產(chǎn)生的壓降來確定電荷意義如圖2所示。

圖2.LTC2942的庫侖計數(shù)器部分。

SENSE 和 SENSE 之間的差分電壓+–施加于自歸零差分積分器，將測量電流轉(zhuǎn)換為電荷，如圖2所示。當積分器輸出斜坡上升到 REFHI 或 REFLO 電平時，切換 S1、S2、S3 和 S4 以反轉(zhuǎn)斜坡方向。通過觀察開關(guān)的狀況和斜坡方向，確定極性。可編程預(yù)分頻器調(diào)整積分時間以匹配電池容量。在預(yù)分頻器的每次下溢或溢出時，ACR 值遞增或遞減一個計數(shù)。累計費用的值通過 I 讀取2C 接口。

使用模擬積分器將LTC庫侖計數(shù)器與市場上大多數(shù)其他燃氣表區(qū)分開來。通常使用ADC定期對檢測電阻上的壓降進行采樣，并對采樣值隨時間進行數(shù)字積分。此實現(xiàn)有兩個主要缺點。首先，采樣時刻之間發(fā)生的任何電流尖峰都會丟失，這會導(dǎo)致精度相當差，尤其是在具有脈沖負載的應(yīng)用中。其次，數(shù)字集成將精度限制在可用時基的精度上——如果沒有額外的外部元件提供，通常較低。

相比之下，LTC2941 和 LTC2942 的庫侖計數(shù)器在寬輸入信號、電池電壓和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了優(yōu)于 1% 的準確度，無需此類外部組件，如圖 3 和圖 4 所示。

圖4.充電誤差與溫度的關(guān)系。

集成檢測電阻器版本 LTC2941-1 和 LTC294-1

充電監(jiān)控的精度不僅取決于所選電池電量計的精度，還取決于檢測電阻的精度。LTC2941-1 和 LTC2942-1 通過包括一個內(nèi)部、工廠修整的 50mΩ 檢測電阻器，免除了增設(shè)一個高準確度外部電阻器的需要。專有的內(nèi)部電路將集成金屬電阻器的溫度系數(shù)補償至僅 50ppm/°C 的殘余誤差，這使得 LTC2941-1 和 LTC2942-1 成為迄今為止最精確的內(nèi)部檢測電阻器電池電量計。

溫度和電壓測量

LTC2942 包括一個 14 位無延遲 ΔΣ?模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部時鐘和電壓基準電路，用于測量電池電壓。集成基準電壓源電路的溫度系數(shù)通常小于20ppm/°C，在–0°C至3°C范圍內(nèi)ADC增益誤差小于45.85%（見圖5）。ADC的積分非線性度通常低于0.5LSB，如圖6所示。

圖5.ADC總未調(diào)整誤差。

圖6.ADC集成非線性。

ADC還用于讀取片內(nèi)溫度傳感器的輸出。傳感器產(chǎn)生與溫度成比例的電壓，斜率為2.5mV/°C，在750°C時產(chǎn)生27mV的電壓。 總溫度誤差通常低于±2°C，如圖7所示。

圖7.溫度傳感器錯誤。

通過I設(shè)置控制寄存器來觸發(fā)溫度或電壓的轉(zhuǎn)換2C 接口。LTC2942 還具有一種可選的自動模式，在該模式下，一種電壓和溫度轉(zhuǎn)換每秒執(zhí)行一次。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，在轉(zhuǎn)換器進入休眠狀態(tài)之前更新相應(yīng)的寄存器，以最大限度地降低靜態(tài)電流。圖 8 示出了 LTC2942 的框圖，其中包含庫侖計數(shù)器及其 ACR、溫度傳感器、具有相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的 ADC 和 I2C 接口。

圖8.LTC2942 的框圖。

USB充電

圖 9 顯示了一個便攜式應(yīng)用，旨在通過 USB 連接為鋰離子電池充電。LTC2942-1 可監(jiān)視單節(jié)鋰離子電池與 LTC4088-1 高效率電池充電器 / USB 電源管理器相結(jié)合的充電狀態(tài)。

圖9.帶 USB 充電器的電池電量計。

一旦一個充電周期完成，LTC4088-1 就會釋放 CHRG 引腳。微控制器檢測到這一點，并通過I寫入累積電荷寄存器將其設(shè)置為滿載。2C 接口或通過向 LTC2942-1 的充電完成 （AL/CC） 引腳施加一個脈沖 （如果將其配置為輸入）。一旦初始化，LTC2942-1 可準確地監(jiān)視流入和流出電池的電荷，而微控制器可通過 I 讀取累積充電寄存器來監(jiān)視充電狀態(tài)2C 接口。

能源監(jiān)控

實時能源監(jiān)控越來越多地用于非便攜式壁掛式供電系統(tǒng)，如服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。LTC2941 和 LTC2942 與電池供電型應(yīng)用中一樣，非常適合于監(jiān)視任何 3.3V 或 5V 電源軌應(yīng)用中的能量流。圖 10 顯示了一個示例。

圖 10.在負載上使用 LTC2941 監(jiān)視系統(tǒng)能量流。

在恒定電源電壓過檢測電阻的電荷與負載消耗的能量成正比。因此，幾個 LTC2941 器件可幫助確定系統(tǒng)能量的確切消耗位置。

監(jiān)控電池組

LTC2941 和 LTC2942 并不局限于單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用。它們還可以監(jiān)控電池組的充電狀態(tài)，如圖 11 所示。

圖 11.在一個電池組中使用 LTC2942。

在這種配置中，電量計的功耗可能會導(dǎo)致堆棧中下層和上部鋰離子電池之間出現(xiàn)不可接受的不平衡。這種不平衡可以通過單獨監(jiān)督每個單元來消除，如圖12所示。

圖 12.2 電池組的單個電池監(jiān)控。

通過監(jiān)視每節(jié)電池的充電狀態(tài)，LTC2942-1 提供了足夠的信息，以便在充電和放電時平衡電池。

跟蹤電池容量與溫度和老化

電池容量隨溫度和老化而變化。有各種各樣的方法和算法來跟蹤針對特定應(yīng)用和電池化學(xué)性質(zhì)量身定制的電池容量。LTC2942 可測量模擬溫度和老化對電池容量的影響所必需的所有物理量 — 電荷、電壓、溫度和 （通過差分充電） 電流。通過讀取具有標準I的相應(yīng)寄存器，可以輕松訪問測量的數(shù)量2C 命令。不需要特殊的指令語言或編程。

LTC2941 和 LTC2942 并不強加特定的方法或算法來根據(jù)測量的數(shù)量來確定電池容量，而是允許系統(tǒng)設(shè)計人員通過主機控制器實現(xiàn)針對系統(tǒng)特殊需求量身定制的算法。然后，微控制器可以根據(jù)這些計算簡單地調(diào)整 LTC2941 和 LTC2942 的充電門限。

結(jié)論

電池電量計是許多便攜式電子產(chǎn)品中落后于其他技術(shù)改進的一個功能。LTC?2941 和 LTC2942 集成式庫侖計數(shù)器通過準確的電池氣體測量解決了這一問題，該測量易于實施并適合最新的便攜式應(yīng)用。為了在最窄的光點實現(xiàn)高準確度，LTC2941-1 和 LTC2942-1 版本集成了工廠修整和溫度補償檢測電阻器，以實現(xiàn)最終的小庫侖計數(shù)器。這個新的精確庫侖計數(shù)器系列可以幫助防止您再次因電池充電監(jiān)控不準確而錯過那些無價的假期時刻。

審核編輯：郭婷