TI 通用电量计选型指南

作者：Andrew Su

    锂电池具有很高的能量密度，因此在便携式设备与储能设备中得到了广泛应用。为了在安全的条件下尽可能充分利用锂电池储电能力，尤其是在部分应用中，比如笔记本电脑，手机，电动自行车等，由于涉及到数据丢失或安全隐患，系统往往需要较准确地了解锂电池的电量数据。但由于锂电池放电特性的非线性，会受到温度、放电电流大小、电池的老化程度等影响，要准确预测锂电池的剩余电量，具有较高的难度。

    最早期的方法是通过电压推测剩余电量，误差非常大，可能高达20~40%； 然后业界推出了库伦积分的方法，误差还是比较大，可能高达10~20%；相对精确一些的方法是在库伦积分的基础上发展起来的CEDV或查表校正法，电量预测精度得到很大改善，较好的情况下，可以达到5%以内；TI在吸取这些方法的优点的基础上，根据锂电池的特性，推出了专利技术--阻抗跟踪算法，结合了电压校正与电流积分的优点，通过建立锂电池的放电特性曲线、温度模型等，实时监测电池的阻抗变化，从而可以较准确地预测放电截止点，实现了1~2%的电量检测精度，是目前最精确的电量计算算法。

    TI针对不同的应用场景，推出了一系列的电量计产品，广泛应用于各领域知名品牌客户，得到了大家的认可。为了便于大家选择适合自己应用的方案，我先对 TI的电量计做一个基本的分类：

1. 电池的节数：1串电池的应用领域比较广，比如手机、智能手表、POS、平板电脑等，对精度、电路面积等的差异比较大，因此，1串电池的电量计方案就比较多。很多1串电池体积比较小，因此通常对封装尺寸有一定要求。因为只有1串，所以也不存在电池不均衡的情况，不需要均衡功能。2串以上的电池，通常就需要考虑均衡功能了。2~4串电量计在笔记本电脑等领域使用量较大，所以一般采用集成保护功能的方式，以降低整体成本。4串以上的电池因为电池电压差异比较大，比较难为不同应用单独开发专用的芯片，可以采用分压后监控电池总电压的方式，比如BQ34Z100，或采用与模拟前端芯片配合的方方式，比如BQ78350。
2. 电池的种类：TI的电量计主要针对锂电池的应用，特别是阻抗跟踪算法，但CEDV算法是基于库仑计的，也可以用于镍氢电池、铅酸电池。磷酸铁锂电池的放电平台非常平坦，电压检测的较小误差就可能会造成电量计算较大的误差，因此阻抗跟踪算法的精度会受到一定的影响，TI部分电量计针对磷酸铁锂电池的应用做了优化设计。
3. 电量计放在什么位置：通常，电量计放在电池包里可以实现更高的精度，并且可以实现数据加密与电池身份的识别，避免仿冒伪劣电池引起的潜在危险。1串电池电量计也可以放在系统主板上，但由于引入了MOS、连线阻抗的影响，以及不便于校准，电量精度会受到影响，尤其是在更换电芯后，系统端的电量计中的参数设置可能会与实际使用的电芯不匹配，从而带来较大误差；另一方面，系统板厂通常不具备电量计的校准、测试经验和设备，从而带来潜在的风险。2~4串的电池，如果把电量计放在系统端，因为不便于引线，通常不便于监测每节电芯的电压，电量计自带的均衡功能也可能无法发挥作用，而且必须要在电池包里额外加保护电路，所以通常建议把2~4串的电量计放在电池包里。对于4串以上的电量计，通常无法独立监测每节电芯的电压，需要与模拟前端芯片配合或仅监控电池的平均电压，均衡和保护功能由模拟前端芯片或保护芯片完成，电量计的位置取决于系统的架构。
4. 电量计电路的尺寸要求：对于用于智能手表等应用，容量较小的电池，由于电池的体积较小，因此对电量计电路的面积有较高要求，可以采用小型封装（比如BGA）的电量计，进一步的话，可以采用集成保护功能、集成电流检测电阻的电量计芯片(比如BQ27Z746)的 方式减少外部电路元件来实现减小电路面积的目的。
5. 电量计的通讯接口：采用电量计的应用，通常系统都需要读取电池的电量、电压、温度等信息，因此电量计需要与系统通讯，对于2串及以上的电量计，最常用的通讯接口是SMBus（通常也能与I2C接口的MCU通讯兼容）；1~2串电池的电量计，则常采用I2C与单线通讯接口HDQ。
6. 电量计的成本要求：通常精度要求高，电量计的成本就会略高一些。对于部分精度要求不太高的应用，TI也为他们提供了简单易用的成本优化的方案，并得到广泛使用，比如BQ27220。

    我把TI常用的电量计产品做了汇总，标注了每个方案的主要特点和应用范围，典型应用，以便于大家选用优化的方案，请参考如下表格：

（绿色标亮的物料目前TI官网上有现货供应）