本文討論了電池管理系統對始終在線可穿戴設備的獨特需求。它檢查了Maxim Integrated的可簡化可穿戴電池充電和維護的電池管理芯片，然后研究了Adafruit Industries的兩個電池。

　　在消費類設備中使用可充電電池

　　可穿戴設備是消費產品，因此受消費者對客戶滿意度的定義的影響。消費者期望充電之間的時間很長（“很長”是消費者主觀的），并期望電池在需要更換之前可以使用很多年。后一點尤其重要，因為可穿戴設備通常不適合消費者使用——沒有可以撬開電池的蓋子，并且不鼓勵消費者卸下背面的那些小螺絲。

　　在運行時，電池和可穿戴設備應該能夠承受人們在白天通常會遇到的各種溫度和條件。此外，所選的電池化學成分必須具有非常高的能量密度，以便能夠在一個小包裝中包含大量電力。

　　雖然有許多電池化學成分可供選擇，但鋰離子電池已成為大多數消費類可充電設備的標準。鋰離子電池具有非常高的能量密度，與最接近的競爭對手鎳鎘 （NiCad） 電池相比，相同封裝中的瓦時 （Wh） 容量是其兩倍。鋰離子電池的行業標準電池電壓為 3.6 伏 ±1 伏，這意味著可穿戴設備可以由單個電池供電。

　　工程師不應設計具有需要積極客戶維護的電池化學成分的可穿戴設備。這不包括具有化學記憶的鎳鎘電池，需要客戶進行定期充電循環（即完全放電然后完全充電）。鋰離子電池沒有化學記憶，無需充電循環以保持容量。

　　然而，與鎳鎘電池不同，鋰離子電池在系統中確實需要電子維護。鋰離子電池不是簡單地通過施加電壓來充電的。相反，必須使用恒流源、恒壓源或兩者的組合對它們進行仔細充電。在充電過程中，必須使用電池保護電路來防止可能損壞電池甚至使其無法使用的電壓或電流尖峰。鋰離子電池也可能因極端高溫或低溫而損壞，因此需要進行溫度監測。極度寒冷會使鋰離子電池失效并使其無法使用。極端高溫對鋰離子電池可能是危險的，并可能導致熱失控：隨著電池變熱，它釋放的能量越多，使其變得更熱，從而導致其釋放更多能量。

　　即使電池未使用，鋰離子電池也會老化。隨著時間的推移，鋰離子電池會失去容量，需要更頻繁的充電。電池制造商通常不會具體說明隨時間損失多少容量。雖然對于由五個 3.6 伏電池組成的電池組而言老化可能并不明顯，但對于單個 3.6 伏電池而言，老化可能是一個重要的設計問題。電池電量計（有時稱為電量計）應顯示容量隨時間的損失，以便補償差異。

　　永遠在線的可穿戴設備對電池的獨特需求

　　對于電池供電的消費類設備，用戶期望可靠且一致的電池電量表。消費者明白，如果多用途移動設備播放視頻；與設備空閑時相比，電池電量表會下降得更快。但是，對于始終在線的可穿戴設備，用戶希望電池電量表讀數（以百分比、條形或兩者顯示）以一致且可預測的速度下降。手腕上有可穿戴設備的用戶每天都會查看它，并會注意到不一致之處。例如，如果隨著時間的推移，設備的電池每天持續損失 10% 的電量，而某天突然顯示電量減少 25%，用戶會注意到，甚至可能會向制造商投訴。出于這個原因，設備的電池管理電路必須準確地監控和維護電池的健康狀況，以提供準確的儀表讀數。

　　到目前為止，可穿戴設備中電池最明顯的限制是尺寸。如今，大多數可穿戴設備使用單個 3.6 伏鋰離子電池供電。需要注意的一個因素是，即使是維護良好且健康的鋰離子電池在負載下仍會變熱并膨脹。因此，雖然可穿戴設備已經受到空間限制，但設計人員仍必須在外殼中留出空間用于電池擴展，以避免潛在的安全問題。

　　在處理接近 3.6 伏的小電壓時，可穿戴電池不太可能出現損壞的電流尖峰。但是，多個同時傳感器激活和事件的錯誤組合可能會產生異常大的電流尖峰，這可能會損壞電池。幸運的是，由于涉及典型的小電壓和電流，保護是一件相對簡單的事情。

　　可穿戴設備的電池管理

　　如前所述，鋰離子電池需要對其輸出電壓、電流消耗和溫度進行持續監控。此外，監控功能必須隨著時間的推移保持穩定和可靠，從主要產品差異化中占用時間和資源。

　　幸運的是，使用專門為該任務設計的 IC 可以大大簡化監控功能。Maxim Integrated 的MAX17301X+具有電池保護功能的單節電量計就是其中之一。這是用于單節 3.6 伏鋰離子電池的完整電池管理系統（圖 1）。

圖 1：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 是一個完整的鋰離子電池管理系統，可監控、保護單節 3.6 伏電池并安全充電。它使用標準 I 2 C 接口與大多數微控制器連接。（圖片來源：美信集成）

　　MAX17301X+ 采用 15 引腳 WFBGA 封裝，尺寸為 1.68 x 2.45 毫米 （mm），特別適合可穿戴應用。使其適用于可穿戴設備的還有它的電流消耗，激活時僅為 24 微安 （μA）。

　　MAX17301X+集成了管理3.6伏鋰離子電池的許多復雜任務。充電 FET 和放電 FET 用于為電池和可穿戴系統提供電力。當電池連接到 IC 時，MAX17301X+ 會持續監控端子電壓、流經外部檢測電阻的電流以及 IC 和電池的溫度。

　　為了避免前面提到的與溫度相關的問題，可以使用兩個溫度傳感器：一個內部傳感器和一個外部電池傳感器。外部傳感器連接到 TH 引腳。外部溫度傳感器可以在電池內部，也可以靠在電池上。如果省略外部溫度傳感器，建議將 MAX17301X+ 放置在電池側面，以便內部傳感器反映電池溫度。充電和放電 FET 也應放置在 MAX17301X+ 附近，以便將其熱量納入分析。

　　MAX17301X+ 使用標準 I 2 C 接口與主機微控制器通信。該 IC 具有可編程寄存器，可根據電池制造商的規格設置警報限制和條件。這些初始值可以由主機微控制器編程或在可穿戴設備的工廠測試期間設置。大多數值都存儲在非易失性存儲器 （NVM） 寄存器中，因此即使取出電池，MAX17301X+ 仍會保留這些值。為確保數據完整性，校驗和寄存器用于驗證 NVM 寄存器。

　　放電保護

　　在電池放電期間，MAX17301X+提供三種形式的放電保護：過流、過熱和欠壓。

　　過多的電流消耗會降低電池的可用容量，將電池損壞到無法使用的位置，甚至導致其著火。過流放電保護可在 70 微秒 （μs） 內快速禁用可穿戴設備的電源。如果發生短路，這一點尤其重要。對于小電流尖峰，它的響應也可以慢至 23 秒。

　　高溫可能與過電流產生相同的影響。如果片上溫度傳感器或外部傳感器達到編程水平，過溫放電保護可以關閉可穿戴設備。發生這種情況時，MAX17301X+ 將不允許打開可穿戴設備，直到溫度降至安全水平。MAX17301X+ 還具有永久故障熱保護設置。如果檢測到嚴重過熱，該事件將存儲在 MAX17301X+ 中，并且充電和放電 FET（如圖 1 所示）永久禁用，從而禁用可穿戴設備。這是防止熱失控的最后一道防線。

　　低于電池制造商指定電壓的電池電壓也會損壞電池。欠壓放電保護提供三個級別的保護：

　　欠壓保護可用于關閉放電 FET 以禁用可穿戴設備的電源

　　欠壓關斷是一種較低的電壓設置，可關閉放電 FET 并關閉 MAX17301X+，以節省每納瓦功率

　　如果 MAX17301X+ 確定可穿戴電子設備存在開路， SmartEmpty會關閉放電 FET 以節省電力

　　充電保護

　　在電池充電期間，提供與放電類似的保護。MAX17301X+ 具有廣泛的可編程電池保護寄存器設置，幾乎可以對電池維護的各個方面進行嚴格控制（圖 2）。充電電壓和電流在 MAX17301X+ 中根據電池制造商的規格進行編程。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX17301X+ 具有廣泛的可編程功能，允許設計人員微調電池保護以保持電池壽命和安全性。（圖片來源：美信集成）

　　MAX17301X+可用于為六種不同溫度范圍指定充電電壓和電流，從而為電池安全充電。過充電保護也由設計師設置。由于這些充電參數是特定于電池的，可穿戴設備制造商不鼓勵更換電池，因為更換電池的規格可能與工廠安裝的規格不同。這可能會導致電池壽命不佳或不安全的可穿戴設備。

　　可以針對不同的溫度范圍設置過充電電流保護和過充電電壓保護。如果超出設定限值，MAX17301X+ 會嘗試降低電壓和電流，禁用充電 FET 以停止充電，或者在極端故障情況下永久禁用充電 FET。充電溫度保護與額外的保護相同，即在極冷的溫度下暫時禁用充電以避免對電池造成永久性損壞。

　　電池狀態和健康

　　MAX17301X+ 還保持可穿戴設備的電池電量計讀數。估計電池狀態的最常用方法是庫侖計數。這保持了充電和放電操作期間電流流動的歷史記錄。換句話說，庫侖計數會隨著時間的推移不斷計算流入和流出電池的總庫侖數。MAX17301X+使用圖1所示的檢測電阻持續測量兩個方向的電流。庫侖計數法使用一種算法來計算電池的充電狀態（SOC），以百分比表示。在可穿戴設備上，電池電量表將此 SOC 表示為可用容量的百分比。

　　MAX17301X+ 使用類似于庫侖計數的 Maxim Integrated 專有方法，稱為 ModelGauge m5? 算法來準確計算 SOC。主機微控制器可以通過 I 2 C 接口讀取該值以顯示在可穿戴設備上。

　　另一個確定電池狀態的有用值是通過計算電池的健康狀態 （SOH） 得出的。這是電池可用滿容量與新電池指定滿容量的百分比。參考前面提到的老化，隨著電池老化，SOH會降低。

　　可穿戴設備電池

　　可穿戴設備的電池選擇會立即受到尺寸的限制。可穿戴電池將是單個鋰離子電池，可能包括也可能不包括保護。盡管電池數據表帶有推薦的規格，但工程師應在不同條件下對電池進行充電和放電試驗，以準確評估電池在最終產品中的性能。

　　Adafruit 4237鋰離子聚合物電池的額定電壓為 3.7 伏和 350 毫安時 （mAh）。使用電纜，電池組的尺寸為 55 x 25 毫米。如果沒有電纜，它的尺寸為 31 x 25 毫米，略大于美國四分之一。

　　4237 電池指定以恒定電流和電壓充電，建議充電電流在 100 至 350 mA 范圍內，充電電壓為 3.7 伏。雖然規定為 3.7 伏，但根據溫度和電流負載，完全充電時可顯示高達 4.2 伏的電壓。在將電池管理 IC 設置為電池規格時，這一點很重要。

　　4237 電池帶有一個簡單的內部電壓保護電路，如果電池電壓降至 3.0 伏以下，它將暫時禁用電池輸出。保護電路還可以防止電池過度充電。

　　與許多小型鋰離子電池一樣，4237 沒有內部溫度傳感器或溫度保護電路。強烈建議使用像 MAX17301X+ 這樣的電池管理芯片來保護它免受溫度或電流故障的影響。

　　為了增加容量，Adafruit配備4236 3.7 伏鋰離子電池，額定容量為 420 mAh。它的尺寸為 35 x 47 毫米（不含電纜），比 4237 稍大，但容量增加了 20%。充電規格與 4237 相同，只是充電電流可高達 420 mA。它具有與 4237 相同的基本保護電路，因此也可以從電池管理芯片中受益。

　　結論

　　為始終開啟的可穿戴設備管理鋰離子可充電電池可能是一項復雜的任務，因為許多電池的保護功能有限或沒有。設計適當的保護和電池充放電管理會增加成本和設計時間。然而，由于可用的可編程電池管理芯片可以大大簡化任務，同時保持電池、系統和用戶的安全，設計人員不必從頭開始設計保護。