精準(zhǔn)庫侖計LTC2944內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

《高精度 60V 電池電量監(jiān)測》系列專輯由兩篇文章構(gòu)成，圍繞電池電量監(jiān)測，主要介紹了 ADI LTC2944 高至 60V 精準(zhǔn)庫侖計方案，助力打造高性能電池監(jiān)測系統(tǒng)。

本文為下篇，將對 LTC2944 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及具體的庫侖計方案進(jìn)行深入解析。關(guān)于電池設(shè)備的普及性、準(zhǔn)確電量監(jiān)測的重要性以及電量測量的原理介紹，可參考上篇《高精度 60V 電池電量監(jiān)測 (上) 》。

精準(zhǔn)的庫侖計方案

在上篇文章中，我們提出了準(zhǔn)確進(jìn)行 SOC 分析的前提，是準(zhǔn)確得到電壓、電流、溫度、庫侖計數(shù)參數(shù)。LTC2944 正是這樣一款能夠單芯片獲取所有參數(shù)的平臺方案。它的外圍電路也十分簡單，易于設(shè)計開發(fā)，將高精度的需求保障集成在芯片內(nèi)部。

LTC2944 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

如下圖 (圖1) 所示為 LTC2944 的工作原理。從物理意義來說，電荷 (庫侖) 是電流在時間層面的積分。LTC2944 通過監(jiān)測采樣電阻兩端產(chǎn)生的電壓來測量電荷，這個電壓范圍是 ±50mV，芯片對其的精度高達(dá) 99%。其中差分電壓被施加到自動調(diào)零的差分模擬積分器以換算電荷。

當(dāng)積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) 時，開關(guān)將會切換以反轉(zhuǎn)電壓變化方向。控制電路將觀察開關(guān)的狀態(tài)和電壓變化方向以確定極性。接下來，可編程預(yù)分頻器允許用戶將積分時間增加 1 到 4096 倍。隨著預(yù)分頻器的每次下溢出或上溢出，累積電荷寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個計數(shù)單位。

圖1 LTC2944 的工作原理

值得注意的是，LTC2944 庫侖計數(shù)器中使用的模擬積分器引入了最小的差分偏移電壓，因此最大限度地減少了對總電荷誤差的影響。許多庫侖計 IC 對感測電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以推斷電荷。在這樣的方案中，差分偏移電壓可能是誤差的主要來源，尤其是在小信號讀取期間。

例如，假設(shè)一個電量計方案中，是基于 ADC 原理的庫侖計數(shù)器，并具有 20uV 的最大指定差分電壓偏移水平，則該電壓偏移對 1mV 的輸入信號進(jìn)行數(shù)字積分后，偏移導(dǎo)致的充電誤差為 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器，電荷誤差僅為 0.04%，小了 50 倍。

極高的精度表現(xiàn)

當(dāng)庫侖計工作在平坦充放電曲線的區(qū)間時，電流和溫度是系統(tǒng)需要獲取的關(guān)鍵參數(shù)。這種設(shè)計的挑戰(zhàn)在于，電池的端子電壓 (帶載時) 會受到電池電流和溫度的顯著影響。因此，必須對電壓讀數(shù)進(jìn)行校正補(bǔ)償，補(bǔ)償因子是與電池電流、開路電壓 (空載時)、溫度成比例的。在操作過程中為了測量開路電壓，就需要斷開電池與負(fù)載的連接，這是不切實(shí)際的，因此實(shí)際操作中是根據(jù)電流和溫度曲線調(diào)整端子電壓讀數(shù)。

由于獲得高 SOC 精度是系統(tǒng)最終設(shè)計目標(biāo)，LTC2944 使用 14 位無延遲 ΔΣADC 用于測量電壓、電流和溫度，精度分別高達(dá) 1.3% 和 ±3℃。事實(shí)上，LTC2944 的性能實(shí)際表現(xiàn)還要更好。如下圖 (圖2) 顯示了 LTC2944 中的某些精度值是如何隨溫度和電壓而變化的，主要體現(xiàn)了以下三個規(guī)律特點(diǎn)。

當(dāng)測量電壓時，ADC 總的未調(diào)整誤差小于 ±0.5%，且在感測電壓范圍內(nèi)較恒定

當(dāng)測量電流時，ADC 增益誤差通常在工作溫度下小于 ±0.5%

對于任何給定的感測電壓，溫度誤差僅隨溫度變化約 ±1 攝氏度

所有這些精度指標(biāo)加在一起，就會顯著影響 SOC 的精度，這就是為什么電壓、電流和溫度的監(jiān)測對電池電量計應(yīng)用很重要。

圖2LTC2944 各種精度表現(xiàn)圖

LTC2944 在測量電壓、電流和溫度時，提供四種 ADC 操作模式。在自動模式下，芯片以幾毫秒的周期連續(xù)執(zhí)行 ADC 轉(zhuǎn)換，而掃描模式是每 10 秒轉(zhuǎn)換一次，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在手動模式下，芯片對命令執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。每當(dāng)芯片處于睡眠模式時，靜態(tài)電流都會降至 80uA。LTC2944 的整個模擬部分也可以完全關(guān)閉，以將靜態(tài)電流進(jìn)一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在系統(tǒng)中額外耗電的存在感進(jìn)一步降低。

為何沒有電池模型？

用戶可以使用數(shù)字 I2C 接口從 LTC2944 讀取電池電量、電壓、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C 配置幾個 16 位寄存器，讀取狀態(tài)、控制開/關(guān)，并為每個參數(shù)設(shè)置可報警的高閾值和低閾值。警報系統(tǒng)消除了連續(xù)軟件輪詢的需要，并釋放 I2C 總線和主機(jī)來執(zhí)行其他任務(wù)。此外，ALCC 引腳既可用作 SMBus 警報輸出，也配置為充滿電或放空電的提示信號。有了所有這些數(shù)字功能，有人可能仍然會問，“為什么 LTC2944 沒有內(nèi)置電池模型或 SOC 估計算法?” 答案很簡單，為了追求極致的準(zhǔn)確性。

雖然具有內(nèi)置電池配置文件和算法的電量計芯片可以簡化設(shè)計，但它們往往是根據(jù)實(shí)際電池做的不充分或不相關(guān)的模型，并在這個過程中犧牲了 SOC 的準(zhǔn)確性。例如，用戶可能被迫使用由未知來源或未知溫度范圍內(nèi)生成的充放電曲線；可能不支持精確的電池化學(xué)性質(zhì)，這會對 SOC 精度造成更大影響。

關(guān)鍵是，精確的電池建模通?？紤]許多變量，并且足夠復(fù)雜，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進(jìn)行建模，以獲得最高水平的 SOC 精度，而不是依賴于不準(zhǔn)確的通用內(nèi)置模型。這些內(nèi)置模型也使電量計功能變得不靈活，難以重復(fù)設(shè)計到其他應(yīng)用中。實(shí)際調(diào)試開發(fā)中，在軟件中進(jìn)行 SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。

此外，高電壓范圍也是 LTC2944 與當(dāng)今市場上其他類似功能產(chǎn)品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電，也可以由高達(dá) 60V 的滿電電池組供電，解決了從低功耗便攜式電子產(chǎn)品到高壓電動汽車的任何應(yīng)用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡，這可以進(jìn)一步降低 LTC2944 電路的總功耗并提高精度。

總結(jié)

電池電量監(jiān)測是一項復(fù)雜的電路設(shè)計工作，因?yàn)橛性S多相互依賴的參數(shù)會影響 SOC。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的是，準(zhǔn)確的庫侖計數(shù)，加上電壓、電流和溫度讀數(shù)，是估計 SOC 的最準(zhǔn)確方法。LTC2944 庫侖計提供所有這些參數(shù)的測量功能，并且故意規(guī)避了內(nèi)部電池建模功能，允許用戶在特定應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)自己的相關(guān)配置文件和算法。此外，測量和配置寄存器可以通過 I2C 接口輕松實(shí)現(xiàn)，支持最高 60V 的電池系統(tǒng)，并且可用于任何化學(xué)成分的電池，最重要的是，它的準(zhǔn)確度是行業(yè)內(nèi)無與倫比的。