電流檢測技術(shù)在電池電量計(jì)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(shí)現(xiàn)過流以后的電路保護(hù)，其應(yīng)用電路之一如下圖所示：

IC 中的電流檢測部分其實(shí)就是個(gè)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(hào)，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(yùn)算以后才知道實(shí)際電流的大小，所以一個(gè)完整的電流傳感器實(shí)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(jì)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(jìn)出通道上，流過它的電流所形成的電壓差經(jīng) CSP/CSN 進(jìn)入 RT9462，再經(jīng)放大、A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)運(yùn)算以后成為電量計(jì)算的輔助信息。

按照常識(shí)，對(duì)電流進(jìn)行時(shí)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(jì)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(gè)獨(dú)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(gè)月以后的電量也會(huì)下降約 1% 以上，高溫下的情況就會(huì)更嚴(yán)重，所以僅使用電流信息的電量計(jì)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(huì)發(fā)生變化，而電壓又與電池電量之間有一定的對(duì)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(jìn)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(shí)際的開路電壓，就可以由它查出對(duì)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(gè)表的，使用時(shí)只需去查閱就行了。這個(gè)方法既簡單又有效，實(shí)際使用的時(shí)候卻有個(gè)問題，電池都有負(fù)載，負(fù)載會(huì)消耗電流，而電池有內(nèi)阻，負(fù)載電流經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，所以你總是不能在線測得實(shí)際的開路電壓。

如上圖電池模型所示，從外部電路實(shí)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(gè)聯(lián)立方程，通過對(duì)聯(lián)立方程的處理就可以計(jì)算出電池內(nèi)阻和電池開路電壓，根據(jù)計(jì)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(duì)電池狀態(tài)有了一個(gè)比較全面的了解。

這個(gè)圖反映的是一個(gè)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(shí)際的應(yīng)用中，負(fù)載電流通常是隨時(shí)都在變化的，所以上述對(duì)電池特性的測量和計(jì)算隨時(shí)都可以進(jìn)行，因而以電壓為主、電流為輔的方法對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行判斷的速度是非?？斓模c單純以測量電流再通過積分對(duì)電量進(jìn)行計(jì)算是完全不同的。

由于無需積分，RT9426 在使用時(shí)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(shí)換的，只要新?lián)Q上的電池與原來的電池是同一個(gè)型號(hào)，對(duì)其容量狀態(tài)的判斷就會(huì)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(duì)電池特性有一個(gè)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(shí)際的應(yīng)用中還是會(huì)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(shí)注意的。為了幫助客戶避免較大誤差的出現(xiàn)，請(qǐng)讀者們?cè)趯?shí)際使用時(shí)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(gè)真無線藍(lán)牙耳機(jī)，每次使用的時(shí)候都能從手機(jī)屏幕上看到耳機(jī)的電池狀況，感覺很開心也很放心。真無線藍(lán)牙耳機(jī)在工作時(shí)需要先將電能充入耳機(jī)盒里的電池里，再用耳機(jī)盒為兩個(gè)耳塞充電，耳塞工作時(shí)還需要將自己的電池狀況反饋給手機(jī)，這個(gè)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(shí)了解狀況并及時(shí)為之補(bǔ)充電能是非常重要的，像 RT9426 這樣的器件就可以為之保駕護(hù)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(dòng)降噪功能的真無線耳機(jī)的拆解報(bào)告里，RT9426 就這樣被放在柔性 PCB 上，獨(dú)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(shí)別符號(hào)，其他則是與制造時(shí)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(shí)別符號(hào)的，請(qǐng)不要隨便看到一個(gè)字符串就來要求我們幫你識(shí)別它是什么，因?yàn)榈惯^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(jī)發(fā)展的早期曾深受電量計(jì)算不準(zhǔn)之苦，有時(shí)明明看到電池電量數(shù)據(jù)還很高，但手機(jī)突然就自動(dòng)關(guān)機(jī)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(jì)中幫助到你。
本文的寫作完全基于自己對(duì)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。