通过电路设计实现手持终端设备电量监测

通过电路设计实现手持终端设备电量监测 摘 要 ：为了更好地权衡测量精度和测量成本，在工程中实现手持终端设备的电量监测，设计出一种较

电源监测芯片成本低的电路，通过对监测点电压采样，结合库仑计法和电池建模查表法，采用软件计算实现电量监测，以替代原有专用电量监测芯片。借助实验数据采集分析，绘制出放电曲线，以及负载突变情况下电压与电量的关系表，这些数据能够验证新监测方法的监测精度在1%-5%，满足产品需求。 关键字 手持终端；电量监测；模数转换器；库仑计

中图分类号 TM912 文献标识码 A

Monitoring the power of handheld devices by using the circuit design (School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China) Abstract: In order to better weigh the cost of measurement and the accuracy of measurement, implemented the power monitoring of the handheld devices in the engineering. It can be design a low-cost circuit which less than the Power detection chip, by monitoring the voltage sampling, combined with the coulomb counter and battery modeling look-up table method, using simulation software to realize power monitoring, replaced the original battery monitoring chip. With the data acquisition and analysis, draw the discharge curves and under the load Sudden the voltage and power relational tables, experimental verification, the monitoring precision of the new power monitoring method in 1% - 5%, meet the demand of products. Keywords: handheld terminal equipment, power monitoring, analog to digital converter (ADC), coulomb counter

如果移动终端设备能够精确的监测自身电池的电量使用情况[1]，不仅能够保护电池，防止放电过度，同时也能够让使用者知道剩余电量及可以维持使用的时间，及时合理使用设备[2]。 国内外现行使用的专用电量监测芯片有：美信的DS2762[3]系列、高通的PM8xxx系列以及TI公司BQ24165相关系列的芯片等。专用电量监测芯片的原理是对三种电量监测方法的分别集成，三种方法分别是[4]：第一种是直接电池电压监控法，但是由于电池的电量与其电压不是一个线性关系，这种非线性关系导致电压监控方法的精确度只有20%；第二种是电池建模查表法，该方法根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，在数据表中查到对应的电量。该方法电量计的监测精度是5%；第三种方法是库仑量的计算，库仑计法通过测量流入/流出电池的净电荷量来估算电池的剩余容量。此方法是目前三种方式中精度最高的。 本文拟通过设计等效电路采集所需数据，并通过软件的补充实现相应电量监测算法，即在充电的过程中采用库仑计量和电池建模的方式，放电的过程中采用电池建模和查表的方法，来实现整个移动终端设备电量的监测的功能，旨在满足基本精度的情况下，降低产品成本。 1 电量监测硬件电路设计 实现电量监测的电路模块设计电路中，在充电和放电的路径上接了一个电阻Rsense，这个电阻称作低阻值的电流采样电阻。若Rsense阻值太低，会影响测量精度，如选择过大，此电阻的压降和功耗很大，影响设备正常工作。因此，Rsense阻值的选择应该是精度和功耗的综合平衡。Rsense阻值一般选取的单位是毫欧级的，不超过200毫欧，不低于10毫欧。Rsense的两端分别接电源正极电压Vbatt和系统的电压Vsys。Vbatt和Vsys值是通过ADC采样得到的。可在处理器中，通过软件计算，可以求得当前系统的工作电流Isys=（Vbatt-Vsys）/Rsense。 Vbatt和Vsys具有文波和噪声，通过ADC采样得到的值，需要进行软件运算平均滤波，分别取十次电压差（Vbatt-Vsys）和电池电压（Vbatt），去掉最大值和最小值后求平均值，最终得到滤波后的系统电压和电池电压。算出系统的当前工作电流Isys。后续用到的电源电压（Vbatt）和当前的工作电流（Isys）都是通过均值滤波法处理过的数据。具体电量监测设计电路如图1所示：

系统电压电源电压

系统电流

电阻电源数模转换器采样通道0

数模转换器采样通道1

图1 电量监测设计模块 电流是指单位时间通过导体横截面的电荷量[5]。电荷量是用于度量电量多少的物理量，符号为Q。库仑是电量的单位，符号为C。简称库。那么电池电量计中库仑计法就是对流经电池的电流与时间进行矢量积分[6]。

0t

Qid

Q就是电池的电量。由此可说明电流和

电量之间存在直接关系。根据Isys和当前电池电量状态（State of Charge，SOC）之间的关系可以使用仪器建立电池模型。最后可以查表得到SOC值。

2 充电电量监测的方法 通过库仑计实时监测电池充电电量的方法是准确的，但是库伦量的积分也是有误差的，而且时间越长误差越大[7]。根据充电过程分为恒流和恒压两个阶段，可以对充电监测实施建模查表法和库仑计法两种方式相结合的管理模式。在恒流和恒压的分界点实行前后不同的电量监测方法。恒流和恒压充电电压值最大为4.2V。那么恒流和恒压充电的百分比的临界点可以根据下表中的数据得出：（1923.643÷2390.629）×100%=80.466%.如下表中列出充电过程中电流电压和电池容量的详细数据： 表1充电过程中电流电压和电池状态之间的数据关系 时间(min) 电流(mA) 电压(V) 电池容量(mA﹒h) 0.8 999.6 3.421 13.328 13.6 999.8 3.872 226.597 26.4 999.8 3.928 439.888 39.2 999.8 3.959 653.179 52 999.8 3.979 886.469 64.8 999.8 4.007 1079.76 77.6 999.8 4.042 1293.051 90.4 999.8 4.048 1506.341 103.2 999.8 4.141 1719.632 116 912.8 4.196 1923.643 128.8 607.8 4.196 2085.84 141.6 385 4.197 2191.739 154.4 257.2 4.198 2260.24 167.2 173.2 4.199 2306.149 180 122.4 4.199 2337.68 192.8 87.2 4.199 2360.038 205.6 62.6 4.198 2376.016 218.4 47.6 4.199 2387.771 222.33 43.6 4.2 2390.629 充电分为USB和适配器充电两种模式，当前规定USB充电的恒流电流最大为500mA，适配器充电的恒流电流最大为1000mA。表2为适配器充电模式。恒压充电的电压是4.2V。分析表1中的数据，在恒流充电阶段，电池容量的变化明显，即充电速度快，采用模型查表法进行电量值的监测，可以方便快捷的根据当前电流值查到电池的容量；恒压阶段，可以看出电流逐渐较小，直到在最低点43.6mA即电池充满电。在此过程中，电池容量变化缓慢，如果采用查表的方式会增大电量检测的误差，采用库仑计法，即对当前系统电流进行累计积分，可以有效提高电量计的精度。通过两种方式的综合，可以提高电量监测的精确度。 电池充电的电量监测流程图如下： 恒压墙充对系统电流随时间进行累计积分，电池电量单调递增恒流墙充查1000mA电压电量对应表判断电量是否单调递增维持上次电量不变更新当前电量值是否电池电量累计到99%新一轮的调度延迟工作电池电量是否小于80%充电状态是否 图2 充电电量监测流程图 对于充电过程分两步进行恒流充电阶段使用查表法，恒流和恒压阶段的分界点时SOC为80%的点，当SOC超过80%时，会使用库仑计法，即对Isys进行时间累积增加SOC的值，直到充满电。 3 放电电量监测的方法 放电电量监测使用的方法是根据电流与电量的关系建立模型，然后使用得到的电流值查表法。由于系统负载的变化，系统电流具有渐变性，不同的电流对应不同的Vbatt-SOC曲线。根据电池这个特点在建立电池模型的时候需要用仪器测得Isys、Vbatt、SOC之间的关系[8]。根据仪器测量可以得到详细的电流电压以及电池电量对应的数据，在这里给出一组部分数据，如表2所示： 表2 放电时电流电压以及电池电量对应数据表 0% 10% 20% 90% 100%

50 3000 3656 3703 4083 4200 100 3000 3585 3676 4073 4200 200 3000 3486 3649 4043 4200 400 3000 3432 3618 4010 4200 600 3000 3402 3616 3988 4200 800 3000 3324 3539 3938 4200 1000 3000 3313 3537 3914 4200 放电过程，由于建立模型数据的有限性，会使用两次分段线性法，进行电量监测，第一次是根据当前的Isys在实验数据中使用分段线性法得到特定电流的Vbatt-SOC的二维曲线，并二次使用分段线性法求得特定电压对应的SOC。 放电电量监测软件实现流程图：

放电状态根据系统电流使用分段线性法得到最新电源电压与电池电量对应表

根据电源电压使用分段线性法得到电池电量值