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

本文為下篇，將對 LTC2944 的內部結構、工作原理以及具體的庫侖計方案進行深入解析。關于電池設備的普及性、準確電量監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 電池電量監測 (上) 》。

精準的庫侖計方案

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

LTC2944 內部結構和工作原理

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 通過監測采樣電阻兩端產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 99%。其中差分電壓被施加到自動調零的差分模擬積分器以換算電荷。

當積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) 時，開關將會切換以反轉電壓變化方向。控制電路將觀察開關的狀態和電壓變化方向以確定極性。接下來，可編程預分頻器允許用戶將積分時間增加 1 到 4096 倍。隨著預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單位。

圖1 LTC2944 的工作原理

值得注意的是，LTC2944 庫侖計數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行模數轉換，并累積轉換結果以推斷電荷。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，假設一個電量計方案中，是基于 ADC 原理的庫侖計數器，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 的輸入信號進行數字積分后，偏移導致的充電誤差為 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

當庫侖計工作在平坦充放電曲線的區間時，電流和溫度是系統需要獲取的關鍵參數。這種設計的挑戰在于，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，必須對電壓讀數進行校正補償，補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載的連接，這是不切實際的，因此實際操作中是根據電流和溫度曲線調整端子電壓讀數。

由于獲得高 SOC 精度是系統最終設計目標，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 1.3% 和 ±3℃。事實上，LTC2944 的性能實際表現還要更好。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，主要體現了以下三個規律特點。

當測量電壓時，ADC 總的未調整誤差小于 ±0.5%，且在感測電壓范圍內較恒定

當測量電流時，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、電流和溫度的監測對電池電量計應用很重要。

圖2LTC2944 各種精度表現圖

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執行 ADC 轉換，而掃描模式是每 10 秒轉換一次，然后進入睡眠狀態。在手動模式下，芯片對命令執行一次轉換，然后進入睡眠狀態。每當芯片處于睡眠模式時，靜態電流都會降至 80uA。LTC2944 的整個模擬部分也可以完全關閉，以將靜態電流進一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在系統中額外耗電的存在感進一步降低。

為何沒有電池模型？

用戶可以使用數字 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、控制開/關，并為每個參數設置可報警的高閾值和低閾值。警報系統消除了連續軟件輪詢的需要，并釋放 I2C 總線和主機來執行其他任務。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。有了所有這些數字功能，有人可能仍然會問，“為什么 LTC2944 沒有內置電池模型或 SOC 估計算法?” 答案很簡單，為了追求極致的準確性。

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

關鍵是，精確的電池建模通常考慮許多變量，并且足夠復雜，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進行建模，以獲得最高水平的 SOC 精度，而不是依賴于不準確的通用內置模型。這些內置模型也使電量計功能變得不靈活，難以重復設計到其他應用中。實際調試開發中，在軟件中進行 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 與當今市場上其他類似功能產品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電，也可以由高達 60V 的滿電電池組供電，解決了從低功耗便攜式電子產品到高壓電動汽車的任何應用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡，這可以進一步降低 LTC2944 電路的總功耗并提高精度。

總結

電池電量監測是一項復雜的電路設計工作，因為有許多相互依賴的參數會影響 SOC。行業內普遍認可的是，準確的庫侖計數，加上電壓、電流和溫度讀數，是估計 SOC 的最準確方法。LTC2944 庫侖計提供所有這些參數的測量功能，并且故意規避了內部電池建模功能，允許用戶在特定應用軟件中實現自己的相關配置文件和算法。此外，測量和配置寄存器可以通過 I2C 接口輕松實現，支持最高 60V 的電池系統，并且可用于任何化學成分的電池，最重要的是，它的準確度是行業內無與倫比的。