由系統意外關閉帶來的惱怒和不便,可能很快就會成為遙遠的記憶,因為新的電池電量計量技術可更準確的量測真正的剩餘電量。

行動裝置已成為多數現代人生活重要的一部份,並擁有多種樣貌。無論是在公共場所使用筆記型電腦,離開辦公室時使用智慧型手機,或甚至旅行時用平板電腦看電影,生產力、連結性和娛樂都取決於裝置電池的剩餘使用時間。

然而,當剩餘電量開始下降,裝置所顯示的百分比與隨意猜測的結果相去無幾,用戶可能會在關鍵時刻失望。這點對筆記型用戶來說特別值得注意,因為他們可能在不知道電量瀕臨臨界點的情況下遺失未保存的重要工作內容。

由於用戶需要隨時都能準確知道電池剩餘電量,精確的電池「電量計量」很重要。然而,現有方法不僅不准確,意外關機的可能性較高,而且溫度引起的錯誤也會影響,在最急需的時刻消耗掉更多的電池電量。

傳統方案

庫侖計數很長一段時間以來一直是行動裝置最常使用的方法,告知用戶裝置的剩下電量。這種方法採用高精度的電流檢測電阻,連續監測電池的輸出電流。電流隨時間而累積,並將結果與已知的最大電量進行比較,以計算可用剩餘電量。

庫侖計數最大的問題在於本身准確性不夠。因為自放電電流未流過庫侖計數器的檢測電阻,故無法檢測到電池自放電事件。庫倫計數其他缺點包括:精密檢測電阻相對高的成本,以及檢測電流持續流過時所消耗的寶貴電池電量。

庫侖計數器可提供的精確度約8%。因此如果指示器顯示剩餘電量為10%,那麼實際值可能低至2%。大多數用戶無法接受這點,在使用筆記型電腦或平板電腦時可能會導致丟失大量工作,手機用戶則可能加快丟失像是GPS或藍芽等被歸類為非必須的功能,最終影響通話能力。這樣的情況下,電量下降到20%以下可能就會引起用戶擔心,因為他們使用需要功能的時間可能不夠。

![20160315 onsemi AN21P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/5iIoDKGdIQWqeYI0Wos6ME/91acf5aa34acb2a8eea7576a95afae5f/20160315_onsemi_AN21P1.jpg)

![20160315 onsemi AN21P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/3par4nQJyEiwU8QMyGCWo4/93f7a5ed926a6386de991c8d4cdef246/20160315_onsemi_AN21P2.jpg)
圖1:無法準確測量電池剩餘使用時間,可能發生系統關閉或功能丟失

在任何設置或環境中提高精確度

為解決這些問題,安森美半導體開發出專利的“HG-CVR”(透過追蹤電流-電壓的混合計量法)方法,根據精密的類比數位轉換器(ADC)測得的電池電壓來計算電池剩餘電量。

藉由能更準確表現電池技術的電壓與電量關係特性的參考表,能對狀況做出更具代表性的評估。比較測到的電壓與存於表中的值,可計算出電池剩餘電量。圖2說明瞭原理。很簡單,如果測得的電壓為4.0 V,參照參考表可得知比電池電量剩餘75%。

![20160315 onsemi AN21P3](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/5DKwoPAQlUKc6qwKkmYUke/6f1ba49a3f4ee077d18dc403d31aa3ea/20160315_onsemi_AN21P3.jpg)

![20160315 onsemi AN21P4](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/5kNUteqvugWgUcYu2iysu6/cf7ef09a2e44e19ffd7f9ac49ff9cd86/20160315_onsemi_AN21P4.jpg)
圖2:用測得的電壓參照電池參考表,推斷出電池剩餘電量

接著,在已知的時間間隔重複測量電壓,經過一段時間可進一步提高精準度。電池溫度也受監控。根據電壓和溫度測量,和在已知的時間間隔所記錄的電壓變化,就可計算出電池電量完全耗盡前的剩餘時間。電池電壓更低時,讀數會更頻繁,以確保準確預測變得更短的電池剩餘使用時間。

因為這個方法是測量整個電池組的電壓,可補捉到電池自放電事件,而且不用充滿電就能校準。即使電池電量只充滿50%,也可準確計算電池剩餘使用時間。

在預設的時間間隔測量,主要的優勢在於不需要監測電路是否持續運行。電量計電路能在測量週期之間進入節能睡眠模式,因而與傳統的庫倫計數相比,這種方法無需檢測電阻,降低了運作功耗。

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鋰電池另一個不利的特性,就是容易受到環境條件和環境溫度變化影響。特別是隨著溫度降至0°C以下,電池阻抗變化,電池壓降也會跟著放的電流流動而增加。

安森美半導體已在其LC709203F電池電壓檢測電量計IC中添加獨特的校正演算法。有助於確保電量計在廣的環境溫度範圍內以及所有電池電壓下,精準度皆能保持在2.8%以內。

安森美半導體的這款電量計已受全面測試。有了庫侖計數電路性能,裝新電池的智慧型手機能夠自適應支援正負極電池連接,電池組的輸出熱敏電阻能連接至LC709203F,同時智慧型手機的內置電量計繼續運作。數據記錄器則用來記錄內置電量計的輸出,經由智慧型手機的I2C匯流排和LC709203F的輸出所監測。將智慧型手機置於一個0°C的恒溫容器中,然後開啟背光,運行於飛航模式。電路板佈局可見以下圖3。

![20160315 onsemi AN21P5](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/I4XMiUEKKA4YCI64suSyI/aac02293448535d8a1745a1530e176a9/20160315_onsemi_AN21P5.jpg)

![20160315 onsemi AN21P6](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/BYVBqLNsK4Sum4kswo0Ow/dd598854236d9919bf4bbb003ad19130/20160315_onsemi_AN21P6.jpg)
圖3. 比較內建的智慧型手機電池電量計和使用LC709203F的電壓測量技術

結果顯示LC709203F在整個測試期內的精準度高於2.8%,電池剩餘電量最低水準高於2%。 相比之下,庫侖計數標準的電量計系統運作出現各種不同程度的誤差,在電池電量接近0時,達到高於6%的最高水準。對用戶而言,這是精確度最重要的時刻,因為他們需要清楚知道系統完全關機前尚有多少時間使用裝置。

低功耗,小尺寸

相較於其他可能需要多達14個額外元件的替代裝置,LC709203F只需要一個外部元件便能有效執行電量計數。大大節省了成本和設計時間,同時更可靠。

最重要的是,尺寸為1.76mm x 1.6mm封裝,較替代元件縮小約45%。整合的額外元件減少,使得電量計電路的整體線路板(PCB)面積減少約77%。對於如智慧型手機和平板電腦等裝置,當內部空間本來就有限而用戶要求的功能卻越來越繁多,這個尺寸是相當大的優勢。

LC709203F使用的工作電流為15μA,約為最類似競爭元件(118μA)的1/10,功耗顯著降低。除了改善運行時的消耗超過87%,LC709203F在睡眠模式下最高只消耗60%的電流。

結論

藉由更準確地檢測裝置電池的剩餘使用時間,用戶可確信當接近低電量時,他們的裝置不會突然中斷,造成不便。安森美的這項新技術使用精密的電池電壓檢測,內置誤差校正和溫度補償,為用戶提供更精確、具成本效益和節能的方案。