除了提供電力之外，用戶(hù)還希望電池能夠安全可靠地運(yùn)行，并在需要充電甚至更換時(shí)提醒他們。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)第一個(gè)是可靠而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池容量。第二是確保使用可靠的電池來(lái)確保產(chǎn)品的安全運(yùn)行。

Maxim Integrated MAX172xx系列電量計(jì)為開(kāi)發(fā)人員提供單芯片解決方案，以最小的工作量提供增強(qiáng)的準(zhǔn)確性和安全認(rèn)證。

電池性能因素

電池性能已經(jīng)成為各類(lèi)移動(dòng)產(chǎn)品的主要差異化因素，但用戶(hù)實(shí)際上只有在電池?zé)o法滿(mǎn)足預(yù)期時(shí)才會(huì)意識(shí)到電池。實(shí)際上，制造商仍在努力采用可靠方法準(zhǔn)確估算電池剩余電量的方法，尤其是鋰離子（Li-ion）電池組。

與早期的電池技術(shù)不同，電壓輸出鋰離子電池在其工作范圍的較寬范圍內(nèi)是平坦的，并且表現(xiàn)出明顯的溫度依賴(lài)性（圖1）。因此，當(dāng)應(yīng)用于鋰離子電池時(shí)，常規(guī)使用開(kāi)路電壓（OCV）測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)電池充電狀態(tài)（SOC）可能遭受顯著誤差。此外，采用這種方法對(duì)電流檢測(cè)電阻的需求意味著電池會(huì)持續(xù)耗電，即使開(kāi)發(fā)人員希望實(shí)施策略來(lái)延長(zhǎng)充電之間的時(shí)間。

圖1：與任何鋰離子電池一樣，相對(duì)平坦的電壓輸出使輸出電壓與電池容量相關(guān)的嘗試變得復(fù)雜。 （圖片來(lái)源：Richtek）

另一種常見(jiàn)的方法是庫(kù)侖計(jì)數(shù)，仔細(xì)跟蹤電池輸入和輸出電流。在完美的世界中，這種方法可以提供非常準(zhǔn)確和可靠的電池SOC測(cè)量。然而，實(shí)際上，實(shí)際電路的非理想特性會(huì)引入誤差，導(dǎo)致SOC估計(jì)隨時(shí)間的顯著漂移。

除了努力提供更精確的SOC估計(jì)外，設(shè)備制造商多年來(lái)一直采用確保只有正宗電池與其設(shè)備一起使用的措施。未經(jīng)許可的克隆不僅顯著影響產(chǎn)品制造商的收入，而且還降低了電池供電產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者的操作。這些假冒電池可能不符合與目標(biāo)產(chǎn)品相關(guān)的嚴(yán)格機(jī)械和電氣要求。克隆電池可能缺乏針對(duì)短路，溫度監(jiān)控和整體充電管理所需的防護(hù)等級(jí)，這對(duì)鋰離子充電電池尤其重要。

此外，未能滿(mǎn)足嚴(yán)格供應(yīng)要求的電池可能會(huì)損壞目標(biāo)產(chǎn)品。即使產(chǎn)品內(nèi)置了電源保護(hù)機(jī)制，先進(jìn)的半導(dǎo)體器件仍然對(duì)電源電壓和電流敏感。超出規(guī)格的電池電源會(huì)對(duì)組件造成壓力，影響性能，最終導(dǎo)致生命周期縮短和故障。

單芯片解決方案

過(guò)去，電池制造商 - 操作的設(shè)備和電池組需要組合的組合以提供SOC估計(jì)并確保使用真實(shí)的電池。相比之下，Maxim Integrated MAX17201是一款單芯片解決方案，能夠提供高精度的SOC估計(jì)和高度安全的電池認(rèn)證。

只需少量額外的無(wú)源元件，設(shè)計(jì)人員就可以使用MAX17201或其在系統(tǒng)側(cè)（圖2A）或電池組（圖2B）中實(shí)現(xiàn)這些功能的變體。 MAX17201和MAX17211監(jiān)控單節(jié)電池組，MAX17205和MAX17215監(jiān)控并平衡多節(jié)電池組。

圖2：Maxim Integrated MAX17201和MAX17211支持系統(tǒng)側(cè)（A）和電池側(cè)（B）設(shè)計(jì)，只需少量附加組件即可提供復(fù)雜的容量估算和電池認(rèn)證。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，該器件提供了近乎可靠的解決方案。硬件工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單的串行2線或1線接口將器件集成到目標(biāo)系統(tǒng)的電源管理設(shè)計(jì)中。 （MAX1720x器件支持I 2 C串行接口; MAX1721x器件支持Maxim 1線串行接口。）軟件開(kāi)發(fā)需要在串行連接上實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的命令來(lái)執(zhí)行電池SOC和MAX172xx器件內(nèi)置的認(rèn)證程序。

開(kāi)發(fā)人員可以使用Maxim工具來(lái)表征電池以滿(mǎn)足自定義調(diào)諧要求，但他們通常可以忽略電池/系統(tǒng)集成中的這一傳統(tǒng)步驟。該設(shè)備的默認(rèn)設(shè)置可處理各種電池，無(wú)需進(jìn)一步表征。在整個(gè)電池的生命周期中，工程師可以依靠設(shè)備自動(dòng)補(bǔ)償溫度變化，放電率，甚至電池單元老化的能力，以保持準(zhǔn)確的結(jié)果。

自適應(yīng)SOC算法

< p>對(duì)于SOC估算，該器件采用Maxim專(zhuān)有的ModelGauge m5算法，該算法將庫(kù)侖計(jì)數(shù)與電池OCV測(cè)量相結(jié)合。在這里，該算法利用每種估計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)來(lái)抵消對(duì)方的弱點(diǎn)。例如，在上電復(fù)位后，庫(kù)侖計(jì)數(shù)未知。即使設(shè)計(jì)者接受了與斷電時(shí)在非易失性存儲(chǔ)器中保留該值相關(guān)的成本，在延長(zhǎng)的斷電狀態(tài)期間適度的電池放電也會(huì)削弱其準(zhǔn)確性。 Maxim的m5算法通過(guò)最初使用OCV作為SOC估計(jì)的主要來(lái)源來(lái)回避這個(gè)問(wèn)題。

隨著電池使用的繼續(xù)，m5算法更多地依賴(lài)于庫(kù)侖計(jì)數(shù)，當(dāng)輸出電流響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載的正常變化而變化時(shí)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)可以更可靠地跟蹤SOC。隨著時(shí)間的推移，m5算法將庫(kù)侖計(jì)數(shù)的結(jié)果與基于OCV的SOC估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較。隨著這些估計(jì)方法之間的差異變寬，m5算法以固定步長(zhǎng)增加或減少庫(kù)侖計(jì)數(shù)值，以使其更接近OCV結(jié)果。凈效應(yīng)是SOC估計(jì)結(jié)果，其避免了庫(kù)侖計(jì)數(shù)的漂移和OCV方法的不穩(wěn)定性（圖3）。

圖3：Maxim Integrated ModelGauge m5算法協(xié)調(diào)使用兩種傳統(tǒng)方法：庫(kù)侖計(jì)數(shù)和開(kāi)路電壓測(cè)量，以最大化每個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)方法同時(shí)盡量減少其缺點(diǎn)。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，剩余電池壽命有多個(gè)方面。改變溫度和放電速率會(huì)影響應(yīng)用實(shí)際可用的電荷量。 MAX17201及其變體使用專(zhuān)用器件寄存器報(bào)告不同的容量測(cè)量值，以滿(mǎn)足實(shí)際使用情況（圖4）。主機(jī)通過(guò)串行接口上的簡(jiǎn)單讀取命令根據(jù)需要讀取這些寄存器。

圖4：Maxim Integrated的MAX172xx器件系列將傳統(tǒng)的容量報(bào)告（MixCap）與實(shí)際可用的瞬時(shí)容量（AvCap）的附加值相結(jié)合。應(yīng)用程序和結(jié)果（RepCap），提供可用容量的平滑表示。 （圖像源：Maxim Integrated）

MixCap寄存器基于極低電流放電和可變輸出電壓的假設(shè)，提供理想容量的傳統(tǒng)視圖。相比之下，AvCap寄存器旨在提供對(duì)應(yīng)用程序?qū)嶋H可用剩余容量的更實(shí)際測(cè)量。例如，該寄存器中的值通過(guò)計(jì)算由于單元最小電壓要求而不可用的電荷來(lái)降低MixCap值。

同時(shí)，AvCap寄存器值提供有效剩余容量的瞬時(shí)視圖，隨負(fù)載的變化而變化很大（參見(jiàn)圖4中的“負(fù)載增加”事件）。由于負(fù)載不斷變化，AvCap值本身可能代表對(duì)剩余容量的過(guò)度悲觀或樂(lè)觀的看法。更糟糕的是，從用戶(hù)的角度來(lái)看，如果直接報(bào)告，這些快速變化可能會(huì)令人困惑。 Maxim提供另一個(gè)寄存器RepCap，它可以平滑AvCap結(jié)果，幫助開(kāi)發(fā)人員為用戶(hù)提供更穩(wěn)定的剩余容量視圖。

電池壽命估算

在理想條件下，鋰離子電池的容量估算非常困難。隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞年齡和連續(xù)充電/放電循環(huán)導(dǎo)致細(xì)胞容量降低（圖5）。提供準(zhǔn)確估計(jì)電池壽命終點(diǎn)的能力對(duì)于避免最終用戶(hù)突然發(fā)現(xiàn)其電池?zé)o法在合理的時(shí)間內(nèi)維持充電的情況至關(guān)重要。然而，在實(shí)踐中，如果電池使用超過(guò)制造商規(guī)定的標(biāo)稱(chēng)操作條件，則使用簡(jiǎn)單的循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)電池壽命終止可能導(dǎo)致意外的早期壽命終止。

圖5：鋰離子電池，包括此處繪制的FDK America ML2430 3伏電池，通常會(huì)隨著占空比的增加而損失容量。 （圖片來(lái)源：FDK America）

Maxim的ModelGauge m5算法包含一個(gè)名為Cycle +的功能，可以預(yù)測(cè)單元格中剩余的周期數(shù)。 Cycle +機(jī)制監(jiān)視電池容量隨時(shí)間的變化，并預(yù)測(cè)電池容量下降到預(yù)定閾值之前剩余的周期數(shù)。年齡預(yù)測(cè)機(jī)制需要特定于開(kāi)發(fā)人員的周期數(shù)才能開(kāi)始預(yù)測(cè)。

鑒于可能影響細(xì)胞的眾多因素，隨著細(xì)胞特征的變化，年齡預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性會(huì)受到侵蝕。年齡，環(huán)境和應(yīng)用。因此，Maxim對(duì)年齡預(yù)測(cè)設(shè)定了具體限制。例如，該算法允許開(kāi)發(fā)人員確定剩余的周期數(shù)，直到電池容量下降到設(shè)定的起始容量百分比。開(kāi)發(fā)人員使用設(shè)備的DeadTargetRatio寄存器設(shè)置此百分比，該寄存器允許值介于啟動(dòng)容量的75％和86.72％之間。該公司特別警告說(shuō)，預(yù)測(cè)低于此設(shè)定百分比的剩余周期的嘗試是不可預(yù)測(cè)的，并且不受算法支持。

盡管MAX17201的有效范圍有限，但它能夠預(yù)測(cè)電池的剩余周期，使開(kāi)發(fā)人員能夠執(zhí)行中段校正到單元數(shù)據(jù)表中指定的理論生命周期參數(shù)。如果預(yù)測(cè)表明使用模式會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)早達(dá)到使用壽命，開(kāi)發(fā)人員可以動(dòng)態(tài)改變電池充電/放電機(jī)制，以滿(mǎn)足與最終產(chǎn)品相關(guān)的生命周期預(yù)期。至少，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)界面功能，警告早期電池丟失。

電池認(rèn)證

雖然專(zhuān)用設(shè)備提供了電池SOC的估計(jì)，但包裝和電子措施都有過(guò)去常常使造假者難以克隆電池。在最簡(jiǎn)單的層面上，使用特定的封裝幾何形狀和每個(gè)電池的連接器放置意味著電池必須滿(mǎn)足與目標(biāo)產(chǎn)品一起使用的機(jī)械要求。

最重要的是，制造商可能會(huì)添加簡(jiǎn)單的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)旨在產(chǎn)生與特定電池類(lèi)型相關(guān)的特定值。更進(jìn)一步，主動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在系統(tǒng)側(cè)的電池認(rèn)證電路讀取時(shí)提供了更具體的ID或序列號(hào)。

盡管如此，這些方法中的每一種最終都證明不足以限制假冒電池。

MAX172xx設(shè)備采用復(fù)雜的質(zhì)詢(xún) - 響應(yīng)方法，依賴(lài)于基于隨機(jī)數(shù)據(jù)和密鑰的信息交換。這種類(lèi)型的質(zhì)詢(xún) - 響應(yīng)認(rèn)證導(dǎo)致非常大量的可能的質(zhì)詢(xún) - 響應(yīng)對(duì)。造假者不能希望經(jīng)濟(jì)地將所有可能的對(duì)構(gòu)建成電池。此外，秘密密鑰被刻錄到每個(gè)設(shè)備中并且在外部是不可讀的。由于它僅在內(nèi)部使用且從未在總線上傳輸，因此造假者無(wú)法輕易捕獲用于電池克隆的密鑰。如果沒(méi)有確切的密鑰，嘗試猜測(cè)正確的響應(yīng)將是不切實(shí)際的。

Maxim在MAX172xx系列中支持兩種類(lèi)型的質(zhì)詢(xún) - 響應(yīng)序列。在一種方法中，主機(jī)和MAX172xx設(shè)備共享相同的秘密，并且每個(gè)都計(jì)算一個(gè)消息認(rèn)證碼（MAC），主機(jī)將其與自己的結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證電池（圖6）。執(zhí)行此認(rèn)證方法很簡(jiǎn)單：主機(jī)通過(guò)將隨機(jī)的160位質(zhì)詢(xún)寫(xiě)入MAX172xx器件的專(zhuān)用存儲(chǔ)空間來(lái)啟動(dòng)序列。

使用簡(jiǎn)單的命令序列，主機(jī)然后命令MAX172xx計(jì)算MAC以響應(yīng)該挑戰(zhàn)。主機(jī)等待結(jié)果，從設(shè)備讀取計(jì)算的MAC，將其與自己的結(jié)果進(jìn)行比較，如果結(jié)果匹配則接受電池。

圖6：使用共享密鑰，主機(jī)向MAX172xx設(shè)備發(fā)出隨機(jī)質(zhì)詢(xún)，并將設(shè)備生成的MAC與自己的結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證電池。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

對(duì)于某些應(yīng)用，在主機(jī)端使用共享密鑰可能不符合成本效益。例如，設(shè)備制造商可能不希望在系統(tǒng)端產(chǎn)生額外的密鑰存儲(chǔ)費(fèi)用。

MAX172xx器件提供了一種替代方法，無(wú)需主機(jī)端密鑰。在這里，每個(gè)主機(jī)都有一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)：MAC對(duì)（圖7）。如上所述，特定主機(jī)僅向設(shè)備發(fā)出相同的命令序列，但這次使用其存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)。為了驗(yàn)證電池，主機(jī)將設(shè)備計(jì)算的MAC與其存儲(chǔ)的MAC值進(jìn)行比較。從主機(jī)角度來(lái)看，這種方法提供了比使用共享機(jī)密更簡(jiǎn)單的方法。出于所有實(shí)際目的，這種方法仍然提供相同級(jí)別的保護(hù)：即使偽造者捕獲這一特定對(duì)，該信息也只允許電池訪問(wèn)該特定主機(jī)。

圖7：MAX172xx器件提供了一種更簡(jiǎn)單的認(rèn)證機(jī)制，無(wú)需在主機(jī)端安全存儲(chǔ)密鑰，只需簡(jiǎn)單存儲(chǔ)挑戰(zhàn)：響應(yīng)對(duì)即是每個(gè)主機(jī)獨(dú)有的。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

結(jié)論

電池在電池供電產(chǎn)品的整體用戶(hù)體驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。不準(zhǔn)確估計(jì)電池電量和不可接受的電池壽命會(huì)使產(chǎn)品整體變得不可靠或有缺陷。同樣，如果意外或意圖使用了錯(cuò)誤的電池，隨后對(duì)產(chǎn)品的損壞會(huì)直接導(dǎo)致客戶(hù)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的不滿(mǎn)與電池一樣。

MAX172xx系列提供單芯片解決方案電池充電估算和電池認(rèn)證。使用該系列中的器件，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員可以為用戶(hù)提供準(zhǔn)確的電池壽命估算，同時(shí)確保使用維持安全性和性能所需的可靠電池。