可穿戴设备的电池管理方案解析

　　本文讨论了电池管理系统对始终在线可穿戴设备的独特需求。它检查了Maxim Integrated的可简化可穿戴电池充电和维护的电池管理芯片，然后研究了Adafruit Industries的两个电池。

　　在消费类设备中使用可充电电池

　　可穿戴设备是消费产品，因此受消费者对客户满意度的定义的影响。消费者期望充电之间的时间很长（“很长”是消费者主观的），并期望电池在需要更换之前可以使用很多年。后一点尤其重要，因为可穿戴设备通常不适合消费者使用——没有可以撬开电池的盖子，并且不鼓励消费者卸下背面的那些小螺丝。

　　在运行时，电池和可穿戴设备应该能够承受人们在白天通常会遇到的各种温度和条件。此外，所选的电池化学成分必须具有非常高的能量密度，以便能够在一个小包装中包含大量电力。

　　虽然有许多电池化学成分可供选择，但锂离子电池已成为大多数消费类可充电设备的标准。锂离子电池具有非常高的能量密度，与最接近的竞争对手镍镉 （NiCad） 电池相比，相同封装中的瓦时 （Wh） 容量是其两倍。锂离子电池的行业标准电池电压为 3.6 伏 ±1 伏，这意味着可穿戴设备可以由单个电池供电。

　　工程师不应设计具有需要积极客户维护的电池化学成分的可穿戴设备。这不包括具有化学记忆的镍镉电池，需要客户进行定期充电循环（即完全放电然后完全充电）。锂离子电池没有化学记忆，无需充电循环以保持容量。

　　然而，与镍镉电池不同，锂离子电池在系统中确实需要电子维护。锂离子电池不是简单地通过施加电压来充电的。相反，必须使用恒流源、恒压源或两者的组合对它们进行仔细充电。在充电过程中，必须使用电池保护电路来防止可能损坏电池甚至使其无法使用的电压或电流尖峰。锂离子电池也可能因极端高温或低温而损坏，因此需要进行温度监测。极度寒冷会使锂离子电池失效并使其无法使用。极端高温对锂离子电池可能是危险的，并可能导致热失控：随着电池变热，它释放的能量越多，使其变得更热，从而导致其释放更多能量。

　　即使电池未使用，锂离子电池也会老化。随着时间的推移，锂离子电池会失去容量，需要更频繁的充电。电池制造商通常不会具体说明随时间损失多少容量。虽然对于由五个 3.6 伏电池组成的电池组而言老化可能并不明显，但对于单个 3.6 伏电池而言，老化可能是一个重要的设计问题。电池电量计（有时称为电量计）应显示容量随时间的损失，以便补偿差异。

　　永远在线的可穿戴设备对电池的独特需求

　　对于电池供电的消费类设备，用户期望可靠且一致的电池电量表。消费者明白，如果多用途移动设备播放视频；与设备空闲时相比，电池电量表会下降得更快。但是，对于始终在线的可穿戴设备，用户希望电池电量表读数（以百分比、条形或两者显示）以一致且可预测的速度下降。手腕上有可穿戴设备的用户每天都会查看它，并会注意到不一致之处。例如，如果随着时间的推移，设备的电池每天持续损失 10% 的电量，而某天突然显示电量减少 25%，用户会注意到，甚至可能会向制造商投诉。出于这个原因，设备的电池管理电路必须准确地监控和维护电池的健康状况，以提供准确的仪表读数。

　　到目前为止，可穿戴设备中电池最明显的限制是尺寸。如今，大多数可穿戴设备使用单个 3.6 伏锂离子电池供电。需要注意的一个因素是，即使是维护良好且健康的锂离子电池在负载下仍会变热并膨胀。因此，虽然可穿戴设备已经受到空间限制，但设计人员仍必须在外壳中留出空间用于电池扩展，以避免潜在的安全问题。

　　在处理接近 3.6 伏的小电压时，可穿戴电池不太可能出现损坏的电流尖峰。但是，多个同时传感器激活和事件的错误组合可能会产生异常大的电流尖峰，这可能会损坏电池。幸运的是，由于涉及典型的小电压和电流，保护是一件相对简单的事情。

　　可穿戴设备的电池管理

　　如前所述，锂离子电池需要对其输出电压、电流消耗和温度进行持续监控。此外，监控功能必须随着时间的推移保持稳定和可靠，从主要产品差异化中占用时间和资源。

　　幸运的是，使用专门为该任务设计的 IC 可以大大简化监控功能。Maxim Integrated 的MAX17301X+具有电池保护功能的单节电量计就是其中之一。这是用于单节 3.6 伏锂离子电池的完整电池管理系统（图 1）。

图 1：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 是一个完整的锂离子电池管理系统，可监控、保护单节 3.6 伏电池并安全充电。它使用标准 I 2 C 接口与大多数微控制器连接。（图片来源：美信集成）

　　MAX17301X+ 采用 15 引脚 WFBGA 封装，尺寸为 1.68 x 2.45 毫米 （mm），特别适合可穿戴应用。使其适用于可穿戴设备的还有它的电流消耗，激活时仅为 24 微安 （µA）。

　　MAX17301X+集成了管理3.6伏锂离子电池的许多复杂任务。充电 FET 和放电 FET 用于为电池和可穿戴系统提供电力。当电池连接到 IC 时，MAX17301X+ 会持续监控端子电压、流经外部检测电阻的电流以及 IC 和电池的温度。

　　为了避免前面提到的与温度相关的问题，可以使用两个温度传感器：一个内部传感器和一个外部电池传感器。外部传感器连接到 TH 引脚。外部温度传感器可以在电池内部，也可以靠在电池上。如果省略外部温度传感器，建议将 MAX17301X+ 放置在电池侧面，以便内部传感器反映电池温度。充电和放电 FET 也应放置在 MAX17301X+ 附近，以便将其热量纳入分析。

　　MAX17301X+ 使用标准 I 2 C 接口与主机微控制器通信。该 IC 具有可编程寄存器，可根据电池制造商的规格设置警报限制和条件。这些初始值可以由主机微控制器编程或在可穿戴设备的工厂测试期间设置。大多数值都存储在非易失性存储器 （NVM） 寄存器中，因此即使取出电池，MAX17301X+ 仍会保留这些值。为确保数据完整性，校验和寄存器用于验证 NVM 寄存器。

　　放电保护

　　在电池放电期间，MAX17301X+提供三种形式的放电保护：过流、过热和欠压。

　　过多的电流消耗会降低电池的可用容量，将电池损坏到无法使用的位置，甚至导致其着火。过流放电保护可在 70 微秒 （µs） 内快速禁用可穿戴设备的电源。如果发生短路，这一点尤其重要。对于小电流尖峰，它的响应也可以慢至 23 秒。

　　高温可能与过电流产生相同的影响。如果片上温度传感器或外部传感器达到编程水平，过温放电保护可以关闭可穿戴设备。发生这种情况时，MAX17301X+ 将不允许打开可穿戴设备，直到温度降至安全水平。MAX17301X+ 还具有永久故障热保护设置。如果检测到严重过热，该事件将存储在 MAX17301X+ 中，并且充电和放电 FET（如图 1 所示）永久禁用，从而禁用可穿戴设备。这是防止热失控的最后一道防线。

　　低于电池制造商指定电压的电池电压也会损坏电池。欠压放电保护提供三个级别的保护：

　　欠压保护可用于关闭放电 FET 以禁用可穿戴设备的电源

　　欠压关断是一种较低的电压设置，可关闭放电 FET 并关闭 MAX17301X+，以节省每纳瓦功率

　　如果 MAX17301X+ 确定可穿戴电子设备存在开路， SmartEmpty会关闭放电 FET 以节省电力

　　充电保护

　　在电池充电期间，提供与放电类似的保护。MAX17301X+ 具有广泛的可编程电池保护寄存器设置，几乎可以对电池维护的各个方面进行严格控制（图 2）。充电电压和电流在 MAX17301X+ 中根据电池制造商的规格进行编程。

图 2：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 具有广泛的可编程功能，允许设计人员微调电池保护以保持电池寿命和安全性。（图片来源：美信集成）

　　MAX17301X+可用于为六种不同温度范围指定充电电压和电流，从而为电池安全充电。过充电保护也由设计师设置。由于这些充电参数是特定于电池的，可穿戴设备制造商不鼓励更换电池，因为更换电池的规格可能与工厂安装的规格不同。这可能会导致电池寿命不佳或不安全的可穿戴设备。

　　可以针对不同的温度范围设置过充电电流保护和过充电电压保护。如果超出设定限值，MAX17301X+ 会尝试降低电压和电流，禁用充电 FET 以停止充电，或者在极端故障情况下永久禁用充电 FET。充电温度保护与额外的保护相同，即在极冷的温度下暂时禁用充电以避免对电池造成永久性损坏。

　　电池状态和健康

　　MAX17301X+ 还保持可穿戴设备的电池电量计读数。估计电池状态的最常用方法是库仑计数。这保持了充电和放电操作期间电流流动的历史记录。换句话说，库仑计数会随着时间的推移不断计算流入和流出电池的总库仑数。MAX17301X+使用图1所示的检测电阻持续测量两个方向的电流。库仑计数法使用一种算法来计算电池的充电状态（SOC），以百分比表示。在可穿戴设备上，电池电量表将此 SOC 表示为可用容量的百分比。

　　MAX17301X+ 使用类似于库仑计数的 Maxim Integrated 专有方法，称为 ModelGauge m5® 算法来准确计算 SOC。主机微控制器可以通过 I 2 C 接口读取该值以显示在可穿戴设备上。

　　另一个确定电池状态的有用值是通过计算电池的健康状态 （SOH） 得出的。这是电池可用满容量与新电池指定满容量的百分比。参考前面提到的老化，随着电池老化，SOH会降低。

　　可穿戴设备电池

　　可穿戴设备的电池选择会立即受到尺寸的限制。可穿戴电池将是单个锂离子电池，可能包括也可能不包括保护。尽管电池数据表带有推荐的规格，但工程师应在不同条件下对电池进行充电和放电试验，以准确评估电池在最终产品中的性能。

　　Adafruit 4237锂离子聚合物电池的额定电压为 3.7 伏和 350 毫安时 （mAh）。使用电缆，电池组的尺寸为 55 x 25 毫米。如果没有电缆，它的尺寸为 31 x 25 毫米，略大于美国四分之一。

　　4237 电池指定以恒定电流和电压充电，建议充电电流在 100 至 350 mA 范围内，充电电压为 3.7 伏。虽然规定为 3.7 伏，但根据温度和电流负载，完全充电时可显示高达 4.2 伏的电压。在将电池管理 IC 设置为电池规格时，这一点很重要。

　　4237 电池带有一个简单的内部电压保护电路，如果电池电压降至 3.0 伏以下，它将暂时禁用电池输出。保护电路还可以防止电池过度充电。

　　与许多小型锂离子电池一样，4237 没有内部温度传感器或温度保护电路。强烈建议使用像 MAX17301X+ 这样的电池管理芯片来保护它免受温度或电流故障的影响。

　　为了增加容量，Adafruit配备4236 3.7 伏锂离子电池，额定容量为 420 mAh。它的尺寸为 35 x 47 毫米（不含电缆），比 4237 稍大，但容量增加了 20%。充电规格与 4237 相同，只是充电电流可高达 420 mA。它具有与 4237 相同的基本保护电路，因此也可以从电池管理芯片中受益。

　　结论

　　为始终开启的可穿戴设备管理锂离子可充电电池可能是一项复杂的任务，因为许多电池的保护功能有限或没有。设计适当的保护和电池充放电管理会增加成本和设计时间。然而，由于可用的可编程电池管理芯片可以大大简化任务，同时保持电池、系统和用户的安全，设计人员不必从头开始设计保护。