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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。这些 威廉希尔官方网站 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。

如果应用威廉希尔官方网站 消耗的电流小于放电电流，则电池受保质期限制， 不是应用威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 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。 使用大值电阻实现威廉希尔官方网站 可确保总工作电流与 电池单元的典型自放电率。该威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 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。整个威廉希尔官方网站 在跳变点上提供 ±1% 的精度和 0.5% 的跳变点精度 图1所示威廉希尔官方网站 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所示的应用威廉希尔官方网站 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的简单威廉希尔官方网站 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

电池监控和保护威廉希尔官方网站 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