電流檢測技術(shù)在電池電量計里的應(yīng)用

上一回我們介紹了包含電壓放大、比較和控制功能的電流傳感器 IC RT6052，它可以像空氣開關(guān)一樣被使用在電路中以實現(xiàn)過流以后的電路保護，其應(yīng)用電路之一如下圖所示：

IC 中的電流檢測部分其實就是個差分電壓放大器，串接在電流通路上的電阻 RSHUNT 將流過的電流轉(zhuǎn)換為電壓差，再經(jīng)放大以后就變成了方便處理的大信號，后面接上 A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，再經(jīng)過運算以后才知道實際電流的大小，所以一個完整的電流傳感器實際上還是很復(fù)雜的，遠(yuǎn)不是我們看到的電路那么單純。
同樣的電流檢測方式可以被應(yīng)用到電池電量計里，RT9426 就是這樣做的，下面是它的應(yīng)用電路圖之一：

同樣的，電阻 RS 被串聯(lián)在電池的電流進出通道上，流過它的電流所形成的電壓差經(jīng) CSP/CSN 進入 RT9462，再經(jīng)放大、A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)運算以后成為電量計算的輔助信息。

按照常識，對電流進行時間積分得到的結(jié)果就是電量，所以我們覺得電流傳感器所獲得的信息應(yīng)該作為電池電量計算的基本依據(jù)，為什么到了 RT9426 這里它變成了輔助信息呢？

電池在電路中是一個獨立存在的元件，它的自放電沒有辦法被外部電路偵查到，即使與電池連接的所有電路都不耗電，在常溫下存放一個月以后的電量也會下降約 1% 以上，高溫下的情況就會更嚴(yán)重，所以僅使用電流信息的電量計是沒辦法反映這部分損耗的，但是只要有電量的損耗電池的電壓就會發(fā)生變化，而電壓又與電池電量之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，所以我們通過測量電壓就可以推測出電池的容量情況。

上圖是容量不同的同類鋰離子電池在不同放電深度下的電壓表現(xiàn)情況，此數(shù)據(jù)是將容量進行了歸一化的結(jié)果，所以最大的容量就是 1，由圖可見大家的一致性都非常好，所以只要測出電池實際的開路電壓，就可以由它查出對應(yīng)的容量信息，而這兩者是可以預(yù)先測出來并成為一個表的，使用時只需去查閱就行了。這個方法既簡單又有效，實際使用的時候卻有個問題，電池都有負(fù)載，負(fù)載會消耗電流，而電池有內(nèi)阻，負(fù)載電流經(jīng)過時會產(chǎn)生壓降，所以你總是不能在線測得實際的開路電壓。

如上圖電池模型所示，從外部電路實際測得的電壓是電池開路電壓和電流流過內(nèi)阻所形成電壓之間的差，所以只要能在兩種不同的電流下測得電池電壓就可以得到兩個聯(lián)立方程，通過對聯(lián)立方程的處理就可以計算出電池內(nèi)阻和電池開路電壓，根據(jù)計算出的開路電壓就可以知道電池的放電深度或充電深度即所謂的荷電狀態(tài) SOC，而根據(jù)電池內(nèi)阻又可獲知電池的老化程度，這樣就對電池狀態(tài)有了一個比較全面的了解。

這個圖反映的是一個電池在相同的電流負(fù)載下隨著循環(huán)使用次數(shù)的不同它的容量變化的情況，隨著使用次數(shù)的增加，它的容量越來越小，內(nèi)阻越來越大，電壓變化越來越快。

在實際的應(yīng)用中，負(fù)載電流通常是隨時都在變化的，所以上述對電池特性的測量和計算隨時都可以進行，因而以電壓為主、電流為輔的方法對電池狀態(tài)進行判斷的速度是非?？斓?，與單純以測量電流再通過積分對電量進行計算是完全不同的。

由于無需積分，RT9426 在使用時就可以和電池分離，直接裝在系統(tǒng)端就可以了，電池是可以隨時換的，只要新?lián)Q上的電池與原來的電池是同一個型號，對其容量狀態(tài)的判斷就會非常準(zhǔn)確，誤差可以做到 1% 以下，當(dāng)然了，這是有前提的，那就是我們需要對電池特性有一個準(zhǔn)確的把握，可以從它的充放電數(shù)據(jù)中將其特性提取出來，預(yù)先放到系統(tǒng)中保存起來，否則在實際的應(yīng)用中還是會存在較大的誤差，誤差值大概在 5%~10%，這是需要用戶在使用時注意的。為了幫助客戶避免較大誤差的出現(xiàn)，請讀者們在實際使用時要與立锜科技的技術(shù)支持人員配合，將電池的充放電數(shù)據(jù)提供給立锜，亦可將電池提供給立锜由我們來幫助你完成全部的工作。

我最近新買了一個真無線藍(lán)牙耳機，每次使用的時候都能從手機屏幕上看到耳機的電池狀況，感覺很開心也很放心。真無線藍(lán)牙耳機在工作時需要先將電能充入耳機盒里的電池里，再用耳機盒為兩個耳塞充電，耳塞工作時還需要將自己的電池狀況反饋給手機，這個管理工作并不簡單，我們總不能讓耳塞里的電能已經(jīng)耗盡了還讓它工作吧，隨時了解狀況并及時為之補充電能是非常重要的，像 RT9426 這樣的器件就可以為之保駕護航，而它的體積也特別小，最小的 CSP 封裝只有 2.29mm X 1.74mm，包含焊球在內(nèi)的最大高度只有 0.625mm，耳塞尺寸雖然都很緊湊，放入其中是完全沒有問題的。

這張照片是我從我愛音頻網(wǎng)上復(fù)制下來的，它出現(xiàn)在一篇帶有無限充電、主動降噪功能的真無線耳機的拆解報告里，RT9426 就這樣被放在柔性 PCB 上，獨自的存在使它看起來就像是主角的樣子，芯片上的字符 71 是 CSP 封裝的 RT9426 的識別符號，其他則是與制造時間有關(guān)的信息及定位標(biāo)志。（順便要說明一下我是知道這顆芯片是 RT9426 才說出 71 是它的識別符號的，請不要隨便看到一個字符串就來要求我們幫你識別它是什么，因為倒過來的行為是無法保證正確性的，而這樣的情況我們又常常遇到，所以特別提示一下。）

我在智能手機發(fā)展的早期曾深受電量計算不準(zhǔn)之苦，有時明明看到電池電量數(shù)據(jù)還很高，但手機突然就自動關(guān)機了，隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)很久沒有遇到過這樣的狀況了，希望 RT9426 也能在你的產(chǎn)品設(shè)計中幫助到你。
本文的寫作完全基于自己對產(chǎn)品所用技術(shù)的推測，所展示的數(shù)據(jù)圖表也是過去學(xué)習(xí)中所積累起來的資料，有的就是公司同事在電池研究中所獲取到的信息，僅供讀者參考。