电量计在手持设备中的实现

　　随着大容量电池的使用，如果设备能够精确的了解电池的电量，不仅能够很好地保护了电池，防止其过放电，同时也能够让用户精确地知道剩余电量来估算所能使用的时间，及时地保存重要数据。因此，在PMP和GPS中，电量计不断加入到设备中，并且电量计也在智能手机中得到了应用，尤其是在一些Windows Mobile操作系统的智能手机中，如图1所示，电池电量的显示已由原来的柱状图变为了数字显示。

　　本文介绍和比较三种种不同电量计的实现方法，并且以意法半导体的STC3100电池监控IC为例，在其Demo实现了1%精度的电池精度计量。

　　

　　1，电量计的实现方法和分类。

　　据统计，现行设备中有三种电量计，分别是：

　　直接电池电压监控方法，也就是说，电池电量的估计是通过简单地监控电池的电压得来的，尽管该方法精度较低和缺乏对电池的有效保护，但其简单易行，所以在现行的设备中得到最广泛的应用。然而锂电池本身特有的放电特性，如图2所示。不难从中发现，电池的电量与其电压不是一个线性的关系，这种非线性导致电压直接检测方法的不准确性，电量测量精度超过20%。电池电量只能用分段式显示，，如图1.a所示，无法用数字显示精确的电池电量。手机用户经常发现，在手机显示还有两格电的时候，电池的电量下降得非常快，也就是因为这时候电池已经进入Phase3。

　　

　　电池建模方法，根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，根据该电压去表中查出所对应的电量。该方法有效地提高电量的测量精度，可以达到5%，且简单易用，无需做电池的初次预估，但是该数据表的建立是一个复杂的过程，尤其是考虑到电池的温度、自放电、老化等因素的影响，并且对不同容量或类型的电池的兼容性也是一个问题。该表需要结合温度和电池寿命等因素进行修正，才能得到较高的测量精度。

　　库仑计，如图3所示，在电池的正极或者负极串入一个电流检测电阻，一旦有电流流入或者流出电池时，就会在电阻的两端产生电压Vsense，通过检测Vsense就可以计算出流过电池的电流。该电流与时间做积分就是变化的电量，因此其可以精确跟踪电池的电量变化，精度可达1%。尽管库仑计存在电池初次预估的问题，且电流电阻的精度直接影响了电量的精度。但是配合电池电压和温度的监控，一些软件算法可以较好地减小锂初次电量预估、电池老化、电流检测电阻精度等等因素对测量结果的影响。该方法在现行的设备和电池组中得到最为广泛的应用，下文以意法半导体带库仑计的电池监控芯片 STC3100为例，详细介绍该方法实现高精度的电量计量。

　　

　　电量计按其位置来分，可以分为两种：电池侧电量计和系统侧电量计。电池侧电量计解释电量计量芯片直接设计在电池组中，电量计芯片永远检测一个电池，能够实时检测电池的充放电、自放电和自身老化等等，即使电池未被使用时，这些电池参数在实时地检测。该种电量比较精确，但是成本较高，电池接口复杂，系统对电池的兼容性较差。

　　而系统侧电量计是指电量计设计在系统侧而不是在电池组里，这样可以避免电池组的重新设计，减小的电池的管脚，系统可以兼容更多的电池。并且便携式设备要求电池体积越来越小，而容量越来越大，在系统侧实现电量计比在电池中实现更为简单便捷。但是，系统侧的电量计需要更为复杂的软件算法，解决电池的初次预估的问题、兼容不同特性电池的问题等等。

　　2，STC3100介绍和设计注意事项

　　STC3100是意法半导体带库仑计的电池监控芯片，它能够监控电池的电压、温度、和电流，集成一个可编程的12～14位的ADC，硬件积分器用于库仑计功能的计算，所测电流最大可达2.5A，积分器可以用7000mAh的电池，分辨率可达0.2mAh. 其内部框图如图4所示。

　　

　　STC3100带有一个I2C接口与处理器端进行通讯，并且集成了32bytes的RAM，用于存储电池的电量或其他特性信息。GPIO管脚可以用来作为电池低压报警使用，其应用框图如图5所示。

　　

　　STC3100中的库仑计需要一个32.768kHz的时钟，用于作为计算电量的时基，其精度直接影响电量的计算精度。 STC3100支持内部和外部的时钟，外部时钟优先的原则，并且能够自动检测是否存在外部时钟源，也可以通过设置寄存器设置成强制使用外部时钟源。如图6所示，如果用内部时钟，一个200kohm 0.1%的电阻连接与Rosc管脚和地之间，内部时钟精度在其供电电压和工作温度范围内为2.5%。为得到更高的精度，只能采用外部输入高精度时钟源的方式。

　　

　　电流采样电阻Rcg是用采集流入或流出电池的电流，由于ADC采样的限制，该电阻的压降不能超过+/-80mV，所以，该阻值由应用中最大的峰值电流决定，如式一。如果峰值电流为2A，那么该阻值可以选择33mohm。

　　R_cg (Ohm)≤0.08A (1)

　　电流电阻上的电压经ADC采样后放置于REG_CURRET(06H和07H)寄存器中，而ADC的LSB是11.7uV，这样就可以按式二计算实际流过的电流值：

　　I(mA)=REG_CURRET×11.77/R_cg (2)

　　同时，STC3100会把Rcg两端的电压值与采样周期相乘后放入28位的累加器中，其中的高16位会放入REG_CHARGE(02h和03h)寄存器中,其实际的电量可以按式三计算。

　　Charge (mA.h)=6.70×REG_CHARGE/R_cg (3)

　　STC3100自身的供电管脚Vcc和电池电压检测管脚Vin是分开的，如图7所示，这样很容易可以在电压检测管脚加入R2(1kohm)和C2(47nF~220nF)组成的ESD 保护和滤波电路，而电阻R1(150ohm)和齐纳二极管D1(5.6V)组成对Vcc的ESD保护电路，从而不会影响对电池电压的检测精度。电池电压和温度经ADC采样后分别放于REG_VOLTAGE 和REG_TEMPERATURE寄存器中，按照式三和式四可以分别计算出电池的实际电压和温度值。

　　Vbat(mV)=REG_VOLTAGE×2.44 (4)

　　Vtem(℃)=REG_TEMPERATURE×0.125 (5)

　　STC3100的GND管脚要用一个PCB走线连接与电阻的地端，确保所有的电流都是流过该电阻的，避免产生电流的检测误差。

　　

　　3，软件设计与验证

　　STC3100寄存器中可以直接读出电量的变化值、电池电压、电流、温度等数据，系统处理器需要在上电时，配置STC3100的寄存器，启动其电量计数功能，如果是第一次上电，需要通过检测的电池电压进行电池容量的初次预估。完成初次预估后就可以进行实时的电池电量的实时计算，软件的流程如图所8示。

　　

　　电池的容量会随温度、充放电次数和使用时间的长短变化而变化，因此，为得到精确的电池电量，仅仅获得电池电压、电流是不够的，还要考虑温度、电池老化、电流检测电阻精度等因素造成的累计误差，因此，建议在使用中定期一次电池的完全的充放电过程，进行消除累计误差，不断保持电量的精度。上述软件在STC3100的demo板(STEVAL-ISB0011V1)进行了验证，如图9所示。该Demo板使用STM32进行软件处理，其上电池的充电芯片是具有800mA充电能力的STC4054，16*2矩阵的液晶LCD可是实时显示电池的容量、电压、电流和温度等参数，同时支持通过USB接口和PC通讯的功能，能够把电池的信息上传给上位机。

　　

　　该实验采用1800mAh的电池，型号是()，实时监控数据如图10所示，其中包括了电池电压、温度、电流、剩余电量、电池容量和STC3100芯片的ID号。并且我们分别对STC3100施加外部和内部的32K时钟，测试结果证明，采用外部时钟测量结果更为准确。

　　

　　图10 电池监控数据

　　结论

　　现在便携式设备集成越来越多的功能，精确的电量计可以用于提示用户剩余的使用时间，甚至可以在电池低电量时，可以提示用户关闭耗电较大的设备，这样可以给用户以更好的使用体验。意法半导体的STC3100是用在系统侧的电池电量监控芯片，可以精确地监控电池电压、电流、温度，并且实时输出电池电量，减轻了系统的工作量，并且它本身具有较小的功耗，比较适合便携式设备的应用。