如何使用纤巧、超低功耗比较器监控小型电池的充电状态

当今许多便携式消费电子设备都由小型纽扣或纽扣电池供电。当然，用户期望电池续航时间长，电池电量信息可靠。然而，在不显着影响所述 SOC 的情况下有效监控这些电池的健康状况和充电状态 （SOC） 可能非常具有挑战性。在本应用笔记中，了解用于小型电池的简单低功耗监测电路如何应对这一挑战。

监控电池电压和温度

系统工程师在预算设计的功率要求时是一项重要任务。看 整个系统，微控制器/微处理器充当“大脑”，可靠地管理系统和 执行所需的功能。通常耗电的控制器是系统的主力，因此它不会 让控制器完成所有工作是有意义的。为了防止系统功耗，控制器需要长时间保持睡眠状态，因为它会寻找GPI引脚中存在的标志。

为了持续监控系统的重要功能，许多工程师正在转向低功耗电路。这些 电路标记微（通常以中断的形式）以在某些事件发生时执行所需的职责。 监测和控制电池供应状态是它们的另一个关键功能。当电池 输入电压低于要求，电池放电，需要充电。同样，当 电池输出高于要求，当电池完全充电且不需要时，可以断言一个标志 进一步充电。监测电池外壳温度也很重要，因为这提供了宝贵的见解 进入负载条件、环境温度或故障的存在。

具有窗口功能的模数转换器（ADC）或比较器提供了简单的监控解决方案 电池电压和温度。还设计了复杂的电池监视器和燃油表 专门用于此功能。但必须谨慎权衡，保持功率、速度、准确性、成本和 考虑到外形因素（空间限制）。不同的系统可能需要不同的优先级 前述列表，影响整体系统设计。在检查电池电压监控和 使用比较器进行温度监测，本应用笔记首先介绍一些基本但重要的 有关电池的信息。

二次电池的限制

二次电池或可充电电池的化学成分和结构各不相同。这些 反过来，差异决定了比功率（输送到负载的最大电流）、寿命和热 电池单元的稳定性。还需要权衡：比功率越高，越低 安全等级、寿命、成本，反之亦然。

二次电池会磨损，具有充放电生命周期，并具有某些限制，包括：

它们在一段时间内可以为指定范围的输出电压提供的电流量

它们可以吸收的电流量（充电期间）

最大安全电压（可以充电的电压等级）

最低安全电压（可以使用它们的电压等级）

它们可以承受的热量或冷量

这些限制中的每一个都会影响电池的使用寿命。不遵守这些条件会导致电池 早点磨损甚至爆发。上述额定值根据电池容量而变化，即 与外形尺寸或大小成正比。

便携式电子产品二次电池

表1显示了最常见的二次/可充电单节电池的典型特性。

最大安全工作电压是指称为完全充电并准备就绪的电压。尝试收取更多费用是可能的，但伴随着缩短寿命的风险（有时是灾难性的）。

最小截止或断开电压是假设电池已耗尽的电压。将电池电压降至截止点以下会缩短电池寿命。

循环寿命和寿命不同。每次电池经过循环充电放电时 考虑循环寿命。您对智能手机充电/放电的频率越高，您的使用寿命就越短 可以期待。

表 1.二次/可充电单节电池的典型特性

 

电池类型	最大安全工作电压	放电电压或最小截止电压	标称电压 （V.BAT)	平均循环寿命	平均自放电（放电百分比/月）
锂离子
钴酸锂（LiCoO2)	4.2	2.5	3.6	750	1 至 2
锂镍锰钴氧化物（LiNiMnCoO2)	4.2	2.5	3.6	1500	1 至 2
磷酸铁锂（LiFePO4)	3.6	2.0	3.2	1500	1 至 2
锂离子聚合物
锂聚合物	4.2	2.0	3.6	400	1 至 2
镍
镍镉*	1.45	0.9	1.2	2000	10 至 15
镍氢*	1.3	1	1.2	1500	10 至 15
*三节单节电池用于典型的3.6V电池输出。

 

如表1所示，锂聚合物的循环寿命可能较低，但其外形尺寸、重量和 最大-最小额定电压（电荷密度）具有更多优势。在便携式电子产品中，镍合金 通常使用组合电池和锂离子组合电池。这些类型的应用程序很少使用 铅酸电池，因为它们通常太重（能量重量比）。重复的完全放电循环 对这些电池的化学特性施加了极大的压力，从而缩短了它们的使用寿命。虽然他们在其中 最便宜的电池，铅酸和镍镉类型对环境有害，主要是 用于独立/备用电源。

自放电和功率预算

自放电是指通过内部不需要的化学反应降低电池容量。这就是为什么 即使不使用电池，保质期也会缩短。考虑额定值为 1000mAh. 容量速率或 C 速率表示电池放电到最大时的速率 能力。1C表示电池可以提供1000mA一小时，直到完全放电。同样地 0.5C表示电池可以提供500mA电流两个小时，直到放电。

在一个月内放电1000mAh容量的电池的一个非常合理的近似值是大约

或

放电电流。

因此，每月 1% 容量的自放电（来自表 1）相当于放电电流的 1% 0.001388C，即（1000mAh/720小时）≈14μA。

如果应用电路消耗的电流小于放电电流，则电池受保质期限制， 不是应用电路消耗的电流。MAX40000/MAX40001 （1.11mm x 0.76mm基底面）和MAX40003/MAX40004 （0.73mm x 0.73mm基底面）超低功耗比较器具有内部基准 静态电流低于 1μA。较低的静态电流与典型的自放电电流相当 电池单元的速率，使这些器件成为功耗时功率监控的首选 要求很严格。

具有微功耗比较器的电池状态 图1显示了监视电池状态的简单比较器。比较器输出电压从 在充满电的情况下从高到低，从低到高表示完全放电的电池电压。 为了产生正确的输出状态，电路采用外部迟滞和选定的阈值来实现。

 

 

输入/电池电压	输出转换
V.BATVH->L	从高到低
V.BATVL->H	从低到高

 

图1.具有迟滞功能的比较器，用于指示“充电”和“放电”电池电压。

所示比较器是具有内部基准的纤小尺寸器件，消耗900nA静态电流。 使用大值电阻实现电路可确保总工作电流与 电池单元的典型自放电率。该电路采用低至 1.7V 的电源电压工作 并且需要小于 2μA 的电源电流。这确保了，即使对于剩余电量最小的电池 充电后，电路仍产生正确的输出状态。

表2提供了实现V跳变点的典型元件值.BAT（五H->L和 VL->H） 电池监控。

表 2.电池监控的典型组件值 （VDD= V上拉= 1.8V， V党卫军= 接地）

 

电池类型	钴酸锂/锂镍锰钴	锂聚合物	磷酸铁锂	镍镉*/镍金属氢化物*
行程点	VH->L= 4.0V VL->H= 2.64V	VH->L= 4.0V VL->H= 3.2V	VH->L= 3.4V VL->H= 2.2V	VH->L= 3.4V VL->H= 3.0V
推挽输出选项（MAX40000）	RA = 6.02MΩ	RA = 3.7MΩ	RA = 2MΩ	RA = 2MΩ
	RB = 1MΩ	RB = 1MΩ	RA = 4.6MΩ	RB = 1MΩ
	R1 = 5.4MΩ	R1 = 5.4MΩ	R1 = 5.4MΩ	R1 = 1.54MΩ
	R2 = 2.7MΩ	R2 = 3.01MΩ	R2 = 3.01MΩ	R2 = 10MΩ
	R3 = 15.4MΩ	R3 = 15.4MΩ	R3 = 15.4MΩ	R3 = 20MΩ
漏极开路输出选项 （MAX40001）	R上拉= 2.2MΩ	R上拉= 2.2MΩ	R上拉= 2.2MΩ	R上拉= 2.2MΩ
*三节单节电池用于典型的3.6V电池输出。

 

表2提供了实现电池状态监控应用的典型特征元件值。 与表1相比，确定的阈值提供了更窄的滞后带，从而允许更多 用于部件公差和变化的缓冲。整个电路在跳变点上提供 ±1% 的精度和 0.5% 的跳变点精度 图1所示电路的容差电阻。为了获得更好的精度性能，更严格的电阻容差 被使用。

锂离子/镍镉电池电压监测 MAX9065为单芯片方案，用于监测
电池电压。它具有两个内部比较器，带有内部基准和电阻串，以形成一个窗口比较器。它所需要的只是将电池输出连接到IN和VCC输入端。此外，该器件可执行低至 1.0V 的电源输入。这使得即使电池超过放电电压，应用程序也能工作。 该器件有两种类型：MAX9065E和MAX9065A。MAX9065E监测单节锂离子电池，MAX9065A提供镍镉电池监测。

图2显示了解决锂离子和镍镉电池监控问题的双通道比较器方法。适当的旅行 内部设置的点可减少元件数量和面积，精度为 ±1%。

图2所示的应用电路功耗小于1μA，只需1.0V电源输入即可工作，因此即使电池超过放电电压，应用也可以工作。

 

 

MAX9065E工作原理
输入/电池电压	输出
V.BAT> 4.2V	低
3.0 < V.BAT< 4.2V	高
V.BAT< 3.0V	低
MAX9065A工作原理
输入/电池电压	输出
V.BAT>1.2V	低
0.6 < V.BAT< 1.2V	高
V.BAT< 0.6V	低

 

图2.使用MAX9065监测锂离子、镍镉电池。

温度监测器

过高的温度通常预示着问题，并可能永久损坏电子设备。有 各种潜在原因，包括环境温度高、功耗过高或电池不正确 充电/放电。撇开原因不谈，每当温度过高时，系统都应关闭 保护。

图3所示为采用负温度系数（NTC）的MAX40004 th的简单电路 用于监控器件温度的热敏电阻。它通常放置在靠近电池组的地方，以确保其 环境温度非常接近电池的温度。

NTC热敏电阻的电阻与温度成反比。例如，100kΩ标称热敏电阻 +25°C时容差为0.5%时为100kΩ，但在+85°C时，其相应电阻约为8.8kΩ。R1 是 1.08MΩ，R2为120kΩ。在+85°C时，比较器同相输入端的电压刚好足以使 输出为低电平。该器件的内部迟滞提供 15°C 迟滞，以降低对噪声的敏感性。

图3所示的比较器采用节省空间的4焊球WLP，所需电流小于500nA 静态电源电流。该应用的总电源电流消耗低于 2μA。

图3.使用MAX40004进行温度监测

总结

电池监控和保护电路需要很少或不需要功率预算，可以在 移动和可穿戴电子设备。

审核编辑：郭婷