通過適當的氣體計量確保最終用戶獲得良好的體驗。

使用電池有效運行是移動設備的核心要求。良好的電池供電行為對于產品的成功至關重要。電池供電操作圍繞三個主要方面：

精心調校的系統功耗

適當的電池充電

電池狀態的準確燃料或電量計預測

對于移動設備，調整系統功耗首先要定義設備用例并對其各種模式下的功耗進行建模。通常這包括設備未使用時的低“靜態”掛起狀態，以及在不同模式下運行時的各種動態管理的電源狀態。

在系統設計和實施工作方面，電池充電和電量監測方面經常被忽視或低估。特別是對于消費產品，充電或電量計量的邊際故障會導致客戶不滿。諸如在 0.1% 的插件上無法檢測到充電器類型，或產品在指示剩余 15% 電量時突然斷電等問題，在您出貨一百萬臺時對您的產品聲譽造成災難。它還導致顯著的客戶支持成本。設備過熱時無法停止充電等問題甚至會帶來危及生命的安全（和責任）問題。

這些方面都需要從頭開始仔細的系統設計，無論是在硬件還是軟件方面。此處的目標是強調充電和電量監測遵循 80/20 規則：獲得 80% 的功能需要 20% 的努力，但剩余 20% 的“最終潤色”需要 80% 以上的努力。仔細的初始設計，例如在 Snapdragon Open-Q 系列開發套件中，提供了一個良好的開端。

電池選擇：化學

許多參數和特性會影響選擇合適的電池技術。首先是電池本身的化學/技術。大多數人都熟悉能量密度（圖 1）。各種鋰化學物質是這里的領導者，每單位體積或重量的能量最高。這些將是許多電子消費設備的明顯選擇。

雖然很重要，但能量密度可能不是唯一的決策者。溫度可能是充電/放電的重要因素。鋰電池通常不應在 0°C 以下充電，一般規定在 45°C 左右停止充電。一般來說，它們不應該在 60°C 以上運行，并且它們包含一個永久熱熔斷器，以防止在其他安全預防方法失敗時發生災難性的熱失控。60°C 似乎超出了設備的正常運行范圍，但在熱車的座椅或儀表板上，幾分鐘內即可輕松達到。戶外使用的消費產品也可能面臨低溫限制的挑戰，需要仔細的系統設計。

除了溫度之外，電池內部阻抗和釋放能量的速率也會影響您的電池選擇。在需要短暫的大電流（如大于 4C）的情況下，基于鎳或鉛的另一種化學物質可能更合適。一個例子可能是電動工具或帶有大顯示器的系統。

鋰是消費類移動應用中最常見的化學物質，各種陰極化合物可用于不同的特性和電池形狀、靈活性和配置。鋰在電壓與充電狀態、內部阻抗行為以及存儲的能量和電壓隨溫度的變化方面具有細微不同的特性。電量計芯片制造商將這些稱為“黃金參數”，并將對任何電池類型進行仔細表征，以確定在為該電池設置電量計時要使用的適當值。

收費

對于特定的電池化學成分，將有一個適當的范例來為該電池充電。對于基于鋰的化學物質，該方法涉及三個特定階段：預調節、恒流和恒壓充電階段。

如果鋰基電池放電超過特定的低電壓，例如通過直接連接到像燈泡這樣的電阻負載，它們可能會永久損壞。為了防止這種損壞，大多數鋰電池組將包含一個小型保護電路 PCB，其中包含一個低壓切斷電路。當電池電壓低于 ~2.5 V 時，保護 FET 打開，電池端子的視在電壓降至 0 V。

在這種情況下為電池充電之前，有必要通過施加小的涓流充電電流（通常為 100 mA）對電池進行“預處理”。要檢測是否連接了電池，請施加此電流幾分鐘，然后斷開電流并檢查電池電壓。此過程應繼續進行，直到電池達到電池供應商指定的最低調節電壓，通常為 2.8 至 3.0 V。

請注意，大多數充電器設計允許部分或全部外部提供的充電器電流為系統供電（也稱為“旁路”），而不是作為充電電流直接流入電池。除非您的系統可以完全依靠外部電源運行（啟動和運行軟件），否則這種沒電電池的預充電必須完全由充電器硬件本身管理。

到達恒流充電段后，充電電流可升高，通常最高可達1C左右。該電流（以 mA 為單位）大致相當于電池的額定容量（以 mA 小時為單位）。較新的化學物質可以允許更高的充電電流（因此更短的充電周期），尤其是在充電過程中的電池溫度得到仔細控制的情況下。在這部分期間，電池的電壓將緩慢上升。最大充電電流將影響您對外部充電器、電纜、連接器等的選擇。

充電電流隨溫度的控制是多個安全標準的主題，包括 IEEE 1725 和 JEITA。如果在高溫下承受過大的負載電流，充電器電路本身可能會損壞，因此充電器電路通常包含基于芯片溫度的熱控制節流。然而，更重要的是，如果在高溫下充電（或以大電流放電），鋰基電池可能會遭受災難性的熱失控。

為防止發生火災和熔毀的風險，電池通常包含一個內部熱熔斷器，可在 90°C 左右的溫度下永久禁用電池。在達到此階段之前，系統必須在電池溫度超過限制時關閉充電電流。電池制造商將提供溫度限制，但這些通常規定在 60°C 以上或 0°C 以下不充電。過去，這些都是硬性的開關充電限制，但 JEITA 標準（在日本是必需的，并且作為事實上的標準越來越普遍）具有基于電池溫度的更復雜的充電電流降額曲線（圖 3） 。

對充電電流進行這種細粒度的控制通常需要軟件和硬件的結合，例如對充電閾值的驅動程序級調整。但是，僅僅依靠軟件是不可能的。為防止電池過度放電并在高溫下損壞其他組件，您的系統可能需要在炎熱的環境中關閉，例如熱車。在沒有軟件運行或軟件故障的情況下，應防止啟動和充電。請參閱 IEEE 1725 和 IEEE 1625，了解該領域的安全關鍵要求。

電池的溫度通常由專用熱敏電阻監控，該熱敏電阻通常集成在電池組本身內部，尤其是在電池與主電路有些隔離的系統中。不過，這可能會提高電池的價格，因此在沒有內置熱敏電阻的設計中，需要仔細的系統熱設計。

充滿電，終止電流

在恒流充電部分結束時，電池將接近其最大電壓，大約為 4.1 至 4.2 V。此時，充電器必須將其施加的電壓限制在其截止電壓，而充電電流固有地緩慢減少。為這個恒壓充電部分選擇的電壓會影響電池的壽命，當使用過高的電壓時會加速老化。過低的恒定電壓閾值會導致次優的滿充電容量，因此在此進行權衡，通常選擇 4.15 至 4.2 V 左右的電壓。

如果受到永久性外部充電電壓的影響，電池也會受到化學損壞，因此當充電電流低于某個閾值時，充電器會終止其充電周期并完全移除施加的電壓。這個水平通常被稱為錐形電流，是調整充電器電路時的另一個關鍵參數。

如果您的系統一直插在充電器上，當電池放電一定百分比的電量或電壓時，電池將進行周期性的“充值”充電循環。充電系統應確保這些充值是迷你充電周期，具有恒定電流和恒定電壓部分。

充電系統設計

系統充電電路通常是專用充電 IC，或者集成在系統的電源管理 IC （PMIC） 中。當作為 PMIC 的一部分包含時，充電系統設計可以定義一個主節點，所有系統電源都從該主節點獲得。該節點可以由外部充電器旁路的電流供電，并且在某些設計中還包括同時從電池補充系統電流的能力。

根據系統電源負載，插入式系統可能會以高速率、節流速率（因為系統運行正在消耗大量電力）為電池充電，或者同時使用來自外部電源的所有電力電池放電。充電電流的模式示例和旁路/補充可以在圖 4 中看到。

Qualcomm Snapdragon PMIC 系列中的充電器子系統包括 SMBB 技術，該技術可以將充電器電路轉換為升壓模式，為充電器電源節點產生 5 V 電壓，為高耗電相機閃光燈 LED 供電。

USB Type-C 包含一個供電規范，可通過專用充電器協議通道協商更高的充電器輸入電壓，以實現更快的充電。高通支持多種快速充電技術和技巧，包括基于充電電壓協商原理的智能協商最佳電壓（INOV）。提供更高的輸入電壓將提高功率傳輸率，并可以大大減少充電時間。

氣體計量

成功的電池供電系統的最后一個組成部分是能夠在任何給定時間測量系統電池中剩余的能量。這被稱為氣體計量。為了成功進行測量，對于用戶而言，重要的是您的系統不會意外死機，同時最大限度地發揮電池的能量。讓您的系統因低電壓而突然出現故障既煩人又危險，可能會導致數據損壞或丟失。一些設備，例如帶有電泳電子墨水屏幕的設備，在電池實際上沒電的情況下似乎已打開，從而導致用戶困惑、投訴或客戶支持電話。

測量電池中的能量有兩個基本原則：將電池電壓映射到當前的充電狀態，以及“進必出”。后者聽起來很簡單，被稱為庫侖計數。電路集成了流入/流出電池的電流，以保持對電池中電荷（以及能量）的測量。這在實踐中存在挑戰，包括：

確定電池的初始充電狀態

由于內阻和泄漏導致的電池自放電

由于內部電池阻抗，放電過程中的能量損失

始終準確測量放電，包括系統斷電時的小泄漏，以及大型子系統通電或斷電時短尖峰中包含的能量

將電池電壓映射到其充電狀態也有其挑戰：

充電狀態電壓因電池化學成分而異（見圖 5）

電池電壓取決于電池的內部阻抗：在大電流負載下電壓降可能很大

充電或放電引起的滯后：電壓可能高于或低于開路“松弛”值，具體取決于達到充電狀態的方式

開路電壓隨溫度升高而降低

由于這些挑戰，仔細跟蹤電池的阻抗對于有效的電量監測至關重要。該阻抗隨電池條件（如老化和充電/放電循環計數）而變化，因此為了獲得最大準確度，會為特定電池保持阻抗指紋。這意味著當電池更換時（例如，如果您的系統有一個用戶可訪問的電池組），您的系統必須識別并重新評估新電池組的情況。

總體而言，有效的氣體計量需要將開路電壓測量與庫侖計數相結合。開路電壓（在非常低的系統放電電流下測量，例如在暫?；蛩郀顟B期間）根據電池已知化學成分的標準配置文件轉換為充電狀態，如圖 5 所示。

開路電壓測量可以提供電池充電狀態的相當準確的點值，特別是如果系統已經靜止（或放松）一段時間，允許充電或放電的任何滯后消退。此測量有助于繪制電池的最大充電容量與其出廠默認最大充電容量的關系。隨著時間的推移，最大充電容量將下降，因為電池能夠容納的電量越來越少。

因為您的系統用例可能通常不允許有效測量開路電壓（例如連續變化的系統電流負載），所以庫侖計數用于跟蹤活動期間的能量增加或減少。這可以與電池內部阻抗的知識相結合，以通過電池電壓跟蹤充電狀態。

氣體計量系統設計

要有效地做到這一點，要么需要復雜的驅動軟件，要么利用半導體制造商的知識和開發努力，這些制造商設計了氣體計量硬件和固件來有效地實現這些算法。這可以通過將電量計量設計到電池組本身來完成；作為電源子系統 PCB 上的分立式電量監測芯片；或作為系統 PMIC 的集成組件。

涉及最少系統集成工作和通常較少集成問題的一種是包裝內測量。它還具有許多明顯的優勢，包括易于跟蹤每個電池組的老化數據和阻抗，易于電池沒電充電和啟動（因為可以在低級引導加載程序軟件中輕松地從電池組中檢索電池容量），并且系統集成和調試工作量非常低。但是，電池組的 BOM 成本可能很高。

分立式氣體計量芯片解決方案（如圖 6 所示）可提供出色的計量性能，并可根據窗口平均系統功耗提供對參數的訪問，如空載前的分鐘數。德州儀器 （TI） 等供應商的解決方案封裝了阻抗跟蹤等復雜算法，并提供可定制的功能，例如確保報告的充電狀態盡可能接近單調遞減。（如果在系統放松期后剩余容量突然從 10% 躍升至 20%，最終用戶可能會感到困惑并導致投訴）。正如我們將看到的，電量計與充電器 IC 的分離有時會導致一些棘手的邊緣情況。

使用高度集成的系統 PMIC 作為充電器/電量監測計組合解決方案可以實現完全定制，并且可以提供最低的系統 BOM 成本、組件空間和 PCB 復雜性。包含經過道路測試的驅動程序軟件的解決方案有助于減少軟件開發和調整工作，尤其是當您密切關注參考設計時。

配對的片上系統和 PMIC 解決方案，例如高通公司高度集成的 Snapdragon 處理器系列，為充電、計量和系統電源轉換提供了豐富的功能集。它包括驅動用戶反饋 LED 的能力（對電池沒電充電很有用）、內部電池升壓技術以及電源輸入的內置過壓保護。Qualcomm 的 APQ8016 及其 PMIC PM8916 被設計到 Intrinsyc 的 Open-Q 410 SOM 和參考載板上，為充電和計量解決方案提供 BSP 支持。這減少了選擇電池和電源用例所需的調整的集成工作量。

氣表參數定義

無論您使用分立式氣體計量組件還是 PMIC 集成解決方案，您都需要定義特定于您系統的氣體計量參數。其中最重要的是系統的空電壓。該電壓源自系統的死電壓，而死電壓又由系統硬件定義。死電壓是系統可以正常運行的最低電池電壓。各種系統組件都會影響此決策，包括穩壓器的輸入規格及其降壓或升壓配置。在此死電壓之上，您需要考慮電壓輸入的容差、溫度變化、測量誤差以及組件打開或關閉時發生的尖峰。最終結果將是您的系統必須立即關閉的安全空電壓（參見圖 7）。

定義了系統的空電壓后，您現在需要指定系統的備用容量。這是一個測量參數，最終定義了您的電池何時達到 0% 容量，何時您的系統應該干凈地關閉。這確保了用戶被告知系統關閉，并且不會發生數據損壞或丟失。儲備容量以能量形式定義，并基于響應電池電量和執行關機所需的運行時間余量。采樣延遲、提供反饋所需的時間、刷新數據存儲和關閉都是此參數的輸入。如果沒有正確定義空電壓和備用容量，您的系統將受到斷電的影響，并意外死機。

總而言之，這里是系統充電/測量中復雜邊緣情況的示例。該系統具有提供源系統旁路和充電電流節流的分立充電器 IC，允許外部輸入電流為電池充電或為系統電源軌供電。分立式電量監測 IC 跟蹤充電狀態，并根據開路電壓和庫侖計數的組合來保持對電池完全充電容量的測量。

允許使用專用充電器 （1 A） 或 USB 電源（小于 500 mA）進行充電。當系統的 LCD 面板打開并播放視頻時，系統電源需求約為 800 mA。在 LCD 關閉的情況下，電源要求小于 100 mA，因此可以通過 USB 電源（最高 350 mA）有效地為電池充電。當系統插入 USB 電源并打開和關閉屏幕時，電池將從充電模式切換到放電模式。

電量計 IC 監控電池組的完全充電容量（根據老化和循環，電池可以容納多少）。充滿電的電池可以容納的能量用于計算/預測關機容量。每當測量到電池電壓在滿電壓的 85% 以內（大于 4.0 V），并且當它看到平均充電電流低于終止電流時，它就會檢測到完全充電的情況。

不幸的是，當用戶在不合時宜的時間打開屏幕時，電量計 IC 會將充電節流（由單獨的充電器 IC 引起）檢測為充滿電的情況。平均充電電流降至 0 mA，因此電量計假定電池已充滿。然后，當屏幕關閉時，充電恢復，電量計最終計算出電池的能量比預期的要多。

結果是，當系統后來被拔掉并放電時，對完全充電容量的錯誤估計導致系統斷電并立即關閉，即使用戶被告知還有 20% 的能量剩余。防止這種情況需要仔細調整參數、良好的測量算法、充電器和測量電路之間的協調以及系統用例的良好設計。

審核編輯：郭婷