基于电池集成设计方案的嵌入式传感器分析

不久前，“传感器”一词与“传感器”同义。但是，情况已不再如此。传感器和传感器系统已经走过了漫长的道路，正在利用各种新技术。更高的集成度正在芯片上产生单片混合信号系统，可以嵌入到任何地方。现代智能手机可能是大规模生产的电池供电移动传感器阵列的最佳典范，可以通过无线方式在全球范围内进行访问。

随着旧电池技术被更新的电池化学和架构所取代，传感器挑战出现。板载和片上传感器必须针对设计进行优化，以利用最新的电池技术。虽然有些传感器可以像电阻一样简单，但其他传感器需要高分辨率和混合信号技术来提供更准确的数据，以确保移动设备的长寿命，最佳性能和安全性。

本文将嵌入式传感器视为优化和保护基于电池的设计的集成解决方案的一部分。将使用特定部分作为示例讨论独立拓扑和外围拓扑。

电池控制器

现代电池供电系统的电子设备应该能够在两种状态下运行。线路电源可用，而不是。在连接线路电源时，计量，监控和控制运行功率以及充电功率。断开线路电源时，仅使用电池供电，应仔细监控。所采用的保护方案可以在充电器和手持或移动单元本身之间分配，每个保护方案应该容纳特定的传感器并防止它们可能暴露的条件。

例如，电池供电的系统线路隔离，不会受到电源线浪涌和尖峰的影响。手持和移动设计中可能不需要这些类型的传感和抑制组件。然而，这些应该用在充电座中，因为线路故障可能会通过电路传播并取出未受保护的电池。

现代电池技术可能对基于电池的传感器提出其他挑战过去。例如，已知许多当前使用的新电池技术在以某些方式受到应力时在非常高的温度下快速点燃和燃烧。设计人员可能需要实施新的电池系统设计，以包括电池阵列中每个单独电池的实时温度监控。更老的，本质上更安全的电池技术永远不需要这样。

许多较新的电池管理芯片都包含特定于特定电池技术的专用硬件。例如，Microchip MCP73855T-I/MF针对锂离子和锂聚合物电池技术，提供400 mA快速充电，恒压单电池解决方案，包括单个电池温度监控以及过流传感器。

MCP73855器件针对低成本和空间有限的设计。 16引脚4 mm x 4 mm封装包含一个独立的线性实现，用于电荷管理和控制（图1）。

图1：针对特定现代电池化学品的高度集成的独立充电和安全控制器将传感器集成为充电管理算法的一部分。阈值，速率和超时通常使用外部偏置组件执行。

一些不错的功能包括单元预处理模式，允许使用外部电阻选择精确控制涓流充电速率，阈值和超时。在进入恒流充电模式之前，这可以作为安全检查（图2）。选择此部件的另一个好处是可以访问EDA和CAD模型。

图2：除非安全检查通过，否则预充电安全模式允许产生故障标志和停止恒流充电模式。阈值和超时可通过外部偏置电阻进行编程。请注意，该图不包含与温度相关的波形控制。

独立的Microchip Technology MCP73855T-I/MF可以提供报警和报警条件的状态输出，并可以数字化启用和禁用。这样，当充电器中没有插入电池时，开关控件可以自动禁用该部件。这也允许用户监控LED状态指示灯。

添加MCU

当使用充电外围设备与本地微控制器配合使用时，可以实现更高级别的控制和功能。以AMS AS8510-ASSM为例，它是数字控制和监控的基于分流器的电池传感器的理想解决方案。

该器件具有集成的传输晶体管，可减少元件数量和高精度（ +/- 0.5％）预设电压调节器。它还包括两个数字滤波的16位Sigma Delta A/D转换器以及用于外部温度传感器的可编程电流源。可以使用单个差分温度传感器，也可以将两个单端传感器或集成内部温度复用到A/D转换级，以提供最大的灵活性。

该部件的独特功能是在执行系统误差补偿时绕过可编程增益放大器（PGA）的能力。通过消除信号链中的PGA，消除了增益漂移作为误差源。因此，差分电池和电池接地信号路径完全依赖于生产调整的内部Vref。

注意，如果智能微控制器负责，所有这些功能都可以实现。在这种情况下，由于采用串行SPI接口，AMS AS8510-ASSM及其所有设置，控制和数据均可以纯数字格式访问。通过成为充电控制器和传感器外围设备，可以实现更高水平的更精细控制。传感器监控和充电控制可以是主控制器的后台任务，但将涉及对主机微控制器进行编码的额外步骤。

简化学习并缩短开发时间，AMS AS8510 DEMOBOARD使用简单的USB接口和基于PC的GUI，用于访问所有设备寄存器和特殊设置。该开发解决方案中包含的代码演示可以帮助减少学习和编码时间。

AMS AS8510铜管微型板测试并演示了这种铜分流方法，并通过热系数补偿演示了电流测量。内部和铜质曲折热传感器都可以选择作为测量路径，这个紧凑的小型单元最多可以处理60 A（图3）。

图3：低成本的现成模块允许快速测试和开发。该器件可实现高达60安培负载的热系数补偿，并使用SPI接口轻松连接到嵌入式控制器。

AMS还有一个使用这项技术的教学视频，名为“用传感器解决方案塑造世界”。

虽然许多电池设计针对的是具有有限突发电流水平的小型手持式应用，但更高功率的电池传感器可以也提出了挑战。更高电压和更高电流技术可以使用分流和隔离设计方法，但这些可能会增加成本并增加空间限制。

例如，用作1000安培范围的电流传感器的0.01欧姆电阻将提供10伏满量程范围，易于衰减，可用于大多数混合信号微控制器。然而，同一个单元将需要10000瓦的部件，这是不小的壮举。

专用传感器用于更高功率的监控和能量电池和电池的保护。其中一个例子来自Vishay及其WBPK600L0A00010001电池传感器（图4）。

图4：用于现代大电流电池应用的功率传感器包括这个部分的系列传感器，可以使用串行总线连续处理高达600安培的电流或2000安培的脉冲电源。

为了能够通过高电流，电阻非常低，为100 microOhms与电池的电流串联放置，电流可以是4到18伏。请注意该部分支持的高电流值。可以监测600安培的连续电流，或者高达2000安培的脉冲功率可以通过该电池传感器。

低（<5 nH）电感有助于限制反激强度和坚固耐用的汽车功能密封包装的工作温度范围为-40至+ 155°C。这部分使用串行LIN接口，作为从设备，可以远程访问和编程，以设置可变的采样率。

总之，电池不像以前那样，电池传感器有必须适应提供安全有效的电池使用。虽然正在开发热膨胀内部触点等新技术以帮助保护电池在过热条件下不会爆炸，但在可预见的未来，它仍将是基于传感器的解决方案，以保护电池，设备和用户。因此，重要的是不要过度轻松地进行电池管理，控制和感应。