№9 / 2017 / статья 6

Выбирайте правильный датчик заряда

Бакуль Демл (MAXIM Integrated) , Наззарено (Рено) Россетти (MAXIM Integrated)

Все мы оказывались в ситуации, когда очень важно знать, насколько сильно разряжен аккумулятор и сколько времени остается до отключения устройства. Максимально точно определить заряд и время поможет малопотребляющая микросхема MAX17055 на базе алгоритма ModelGauge m5 EZ от Maxim Integrated.

Носимые устройства являются привлекательным и растущим сегментом рынка, в котором интеллектуальные часы продолжают удерживать доминирующее положение. Каждый производитель стремится занять лидирующую позицию в этой переполненной и конкурентной среде, в то время как потребители требуют точного определения заряда аккумуляторной батареи и максимально долгой работы устройств (рисунок 1). Рассмотрим требования, связанные с важной функцией контроля за емкостью аккумулятора, а также познакомимся с прорывной технологией, которая решает эти задачи.

Рис. 1. Умные часы сообщают о разряде аккумулятора

Рис. 1. Умные часы сообщают о разряде аккумулятора

Проблемы затягивания сроков вывода устройств на рынок

Эффективность использования аккумулятора зависит от качества применяемой математической модели, которая лежит в основе алгоритма измерения уровня заряда. Если потратить время на исследование индивидуальных характеристик аккумулятора, то вы получите более точное математическое описание, сможете снизить возможность возникновения ошибки текущего состояния заряда (SOC) и правильно спрогнозировать, когда аккумулятор приближается к полному разряду.

Энергия, запасенная в батарее (емкость в мА·ч), зависит от таких параметров как нагрузка и температура. В результате разработчики должны снимать характеристики заряда/разряда аккумулятора для работы в самых разнообразных условиях. Как только модель заряда-разряда, описывающая поведение аккумулятора, определена – она загружается в специализированную микросхему, которая следит за состоянием SoC в процессе работы аккумулятора (эти микросхемы часто называют «топливомером» или Fuel Gauge. Прим. ред.). Тщательный контроль за состоянием аккумулятора позволяет обеспечить более высокий уровень безопасности при заряде и разряде, продлить срок службы аккумулятора.

Получение модели аккумулятора является проблемой, увеличивающей срок вывода продукта на рынок. Трудности в обслуживании потребителей любого уровня, в том числе — и наиболее крупносерийных, также составляет сложность для производителей. Поставщики интегральных схем (ИС) традиционно ориентированы на производителей крупных серий устройств, поскольку для получения модели часто требуется обширная исследовательская работа, и только некоторые производители ИС имеют необходимые для этого ресурсы.

Проблемы оценки времени работы аккумулятора

Одним из важных последствий использования неточной модели аккумулятора является высокая погрешность при оценке времени его работы. Типовой суточный сценарий работы интеллектуальных часов включает в себя 5 часов в активном состоянии, в том числе таких действий как проверка времени и уведомлений, использование приложений, воспроизведение музыки, разговоры и тренировки, и 19 часов в пассивном состоянии (только проверка времени). Если устройство потребляет 40 мА в активном режиме и 4 мА в пассивном, то в общей сложности потребление составит 276 мА·ч в день, что примерно соответствует емкости типичной аккумуляторной батареи. Точное предсказание времени работы батареи необходимо для предотвращения неожиданных или преждевременных перерывов в работе устройства.

Продолжительность времени работы также важна. В пассивном режиме типовая аккумуляторная батарея может выдерживать до 69 часов работы (276/4 мА). Типовая микросхема Fuel Gauge, потребляющая 50 мкА, сократит время работы батареи в пассивном режиме примерно на 52 минуты, а такой величиной уже нельзя пренебрегать.

Использование технологии EZ для решения проблем

Компания Maxim Integrated создала алгоритм для точной оценки состояния заряда и безопасного управления для большинства аккумуляторных батарей. Алгоритм был разработан после изучения характеристик обычных литиевых аккумуляторов.

В алгоритме ModelGauge™ m5 EZ (EZ) используется модель аккумулятора, встраиваемая в ИС Fuel Gauge, которая настроена на конкретное приложение. Проектировщики могут создавать модели аккумуляторов, используя простую утилиту настройки, которая входит в состав программного обеспечения оценочного набора. Разработчику системы необходимо предоставить значения только трех параметров:

  • емкость (зачастую указывается на этикетке или в документации на аккумулятор);
  • напряжение аккумулятора, которое будет считаться напряжением полного разряда аккумулятора (зависит от приложения);
  • напряжение полного заряда аккумулятора (если оно выше 4,275 В).

С технологией EZ разработчикам больше не нужно самостоятельно строить модель аккумулятора, поскольку это уже было сделано производителем микросхемы контроля состояния заряда(Fuel Gauge).

Несколько адаптивных механизмов, реализованных в алгоритме EZ, еще больше повышают точность измерения уровня заряда за счет дополнительного изучения характеристик аккумуляторной батареи в процессе работы. Один из таких механизмов гарантирует, что по мере разряда аккумулятора показания датчика будут стремиться к 0%. Поэтому датчик сообщает об уровне заряда (SOC), равном 0%, как только напряжения ячейки снизится до уровня полного разряда.

Рис. 2. Погрешности системы EZ

Рис. 2. Погрешности системы EZ

Если мы зададимся величиной бюджета ошибки на уровне 3%, то при измерении полного разряда аккумулятора 95,5% всех моделей EZ пройдут тестирование. Это очень близко к показателям, демонстрируемым лабораторными моделями, которые успешно проходят испытания в 97,7% тестовых случаев. Как показано на рисунке 2, механизм EZ работает примерно на том же уровне точности, когда батарея только приближается к полному разряду, и это наиболее важно.

Для многих пользователей недостаточно знать уровень заряда или оставшуюся емкость аккумулятора. На самом деле они хотят знать, сколько времени осталось до полного разряда. Упрощенные методы, такие как деление оставшейся емкости на настоящую или будущую нагрузку, могут привести к чрезмерно оптимистичным оценкам. Алгоритм EZ способен дать гораздо более точную оценку времени до полного разряда, основываясь на известных параметрах батареи, температуре, уровне нагрузки и значении напряжения полного разряда для конкретного приложения.

Благодаря алгоритму EZ крупносерийные производители могут использовать его в качестве отправной точки для быстрой разработки. И только после того, как они получат рабочий прототип, можно перейти на специализированную выверенную модель заряда-разряда. Менее крупные производители могут применять алгоритм EZ для наиболее доступных аккумуляторов, с тем лишь условием, что разброс параметров аккумуляторов не будет слишком большим.

MAX17055: Fuel Gauge c ModelGauge m5 EZ

Микросхема MAX17055 на базе алгоритма ModelGauge m5 EZ предназначена для работы с аккумулятором, состоящим из одной ячейки. В режиме ”Shutdown Mode” она потребляет 0,7 мкА, а в спящем режиме – всего 7 мкА и всего 18 мкА в активном состоянии, что идеально подходит для носимых устройств с батарейным питанием. Интерфейс I²C обеспечивает доступ к регистрам данных и управления и обеспечивает полный контроль над микросхемой.

Сравнительный анализ погрешностей измерения

На рисунке 3 представлен сравнительный анализ погрешностей MAX17055. Эта диаграмма показывает, что при почти полном разряде аккумулятора микросхема MAX17055 в большинстве тестовых случаев (15 из 26) обеспечивает погрешность не более 1%, в то время как конкурирующий аналог демонстрирует гораздо более высокую погрешность для одного и того же количества испытаний.

Рис. 3. Сравнение погрешностей измерений

Рис. 3. Сравнение погрешностей измерений

Преимущества при оценке времени работы

Малая погрешность около значений состояния полного разряда аккумулятора обеспечивает оптимальное использование заряда батареи, увеличение времени работы и минимизацию возможности неожиданного или преждевременного прерывания работы устройства, то есть позволяет лучше прогнозировать время работы до полного разряда.

Увеличение срока службы по сравнению с конкурентами

Использование ИС Fuel Gauge с малым значением тока собственного потребления увеличивает время работы аккумулятора. Для MAX17055 ток в активном состоянии составляет 18 мкА, что на 64% ниже, чем у ближайшего конкурента. Кроме того, в спящем режиме ток падает до 7 мкА. Применяя эти характеристики к рассмотренному в начале статьи суточному сценарию для умных часов, можно посчитать, что время работы аккумулятора сокращается уже не на 52 минуты, а всего лишь на 7 минут. Это – существенное увеличение времени работы.

Заключение

Очень важно использовать качественные математические модели заряда-разряда аккумуляторов для построения эффективной системы измерения заряда, которая определяет время работы аккумулятора с максимальной точностью. Сложности, возникающие при построении точных моделей аккумуляторов, увеличивают время выхода устройств на рынок и препятствуют выпуску небольших серий устройств с батарейным питанием. Прорывной подход, основанный на алгоритме E7 ModelMauge m5 EZ, встроенном в MAX17055, делает процесс разработки быстрее, проще, дешевле и обеспечивает более эффективное использование аккумуляторов в широком спектре приложений.

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
MAX17055ETB+ (MAX) 37 1.3509 $ 82.16 руб. от 371 шт
MAX17055ETB+T (MAX) 25 642 3.3755 $ 205.32 руб. от 250 шт
MAX17055EWL+ (MAX) 2 840 3.1224 $ 189.92 руб. от 50 шт
MAX17055GEVKIT# (MAX) 18 95.18 $ 5789 руб. от 6 шт
MAX17055XEVKIT# (MAX) 70 96.78 $ 5886 руб. от 1 шт
MAX17055EWL+T (MAX) 0