基于電池集成設(shè)計(jì)方案的嵌入式傳感器分析

不久前，“傳感器”一詞與“傳感器”同義。但是，情況已不再如此。傳感器和傳感器系統(tǒng)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路，正在利用各種新技術(shù)。更高的集成度正在芯片上產(chǎn)生單片混合信號(hào)系統(tǒng)，可以嵌入到任何地方?，F(xiàn)代智能手機(jī)可能是大規(guī)模生產(chǎn)的電池供電移動(dòng)傳感器陣列的最佳典范，可以通過(guò)無(wú)線方式在全球范圍內(nèi)進(jìn)行訪問(wèn)。

隨著舊電池技術(shù)被更新的電池化學(xué)和架構(gòu)所取代，傳感器挑戰(zhàn)出現(xiàn)。板載和片上傳感器必須針對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以利用最新的電池技術(shù)。雖然有些傳感器可以像電阻一樣簡(jiǎn)單，但其他傳感器需要高分辨率和混合信號(hào)技術(shù)來(lái)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以確保移動(dòng)設(shè)備的長(zhǎng)壽命，最佳性能和安全性。

本文將嵌入式傳感器視為優(yōu)化和保護(hù)基于電池的設(shè)計(jì)的集成解決方案的一部分。將使用特定部分作為示例討論獨(dú)立拓?fù)浜屯鈬負(fù)洹?/p>

電池控制器

現(xiàn)代電池供電系統(tǒng)的電子設(shè)備應(yīng)該能夠在兩種狀態(tài)下運(yùn)行。線路電源可用，而不是。在連接線路電源時(shí)，計(jì)量，監(jiān)控和控制運(yùn)行功率以及充電功率。斷開(kāi)線路電源時(shí)，僅使用電池供電，應(yīng)仔細(xì)監(jiān)控。所采用的保護(hù)方案可以在充電器和手持或移動(dòng)單元本身之間分配，每個(gè)保護(hù)方案應(yīng)該容納特定的傳感器并防止它們可能暴露的條件。

例如，電池供電的系統(tǒng)線路隔離，不會(huì)受到電源線浪涌和尖峰的影響。手持和移動(dòng)設(shè)計(jì)中可能不需要這些類型的傳感和抑制組件。然而，這些應(yīng)該用在充電座中，因?yàn)榫€路故障可能會(huì)通過(guò)電路傳播并取出未受保護(hù)的電池。

現(xiàn)代電池技術(shù)可能對(duì)基于電池的傳感器提出其他挑戰(zhàn)過(guò)去。例如，已知許多當(dāng)前使用的新電池技術(shù)在以某些方式受到應(yīng)力時(shí)在非常高的溫度下快速點(diǎn)燃和燃燒。設(shè)計(jì)人員可能需要實(shí)施新的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以包括電池陣列中每個(gè)單獨(dú)電池的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。更老的，本質(zhì)上更安全的電池技術(shù)永遠(yuǎn)不需要這樣。

許多較新的電池管理芯片都包含特定于特定電池技術(shù)的專用硬件。例如，Microchip MCP73855T-I/MF針對(duì)鋰離子和鋰聚合物電池技術(shù)，提供400 mA快速充電，恒壓?jiǎn)坞姵亟鉀Q方案，包括單個(gè)電池溫度監(jiān)控以及過(guò)流傳感器。

MCP73855器件針對(duì)低成本和空間有限的設(shè)計(jì)。 16引腳4 mm x 4 mm封裝包含一個(gè)獨(dú)立的線性實(shí)現(xiàn)，用于電荷管理和控制（圖1）。

圖1：針對(duì)特定現(xiàn)代電池化學(xué)品的高度集成的獨(dú)立充電和安全控制器將傳感器集成為充電管理算法的一部分。閾值，速率和超時(shí)通常使用外部偏置組件執(zhí)行。

一些不錯(cuò)的功能包括單元預(yù)處理模式，允許使用外部電阻選擇精確控制涓流充電速率，閾值和超時(shí)。在進(jìn)入恒流充電模式之前，這可以作為安全檢查（圖2）。選擇此部件的另一個(gè)好處是可以訪問(wèn)EDA和CAD模型。

圖2：除非安全檢查通過(guò)，否則預(yù)充電安全模式允許產(chǎn)生故障標(biāo)志和停止恒流充電模式。閾值和超時(shí)可通過(guò)外部偏置電阻進(jìn)行編程。請(qǐng)注意，該圖不包含與溫度相關(guān)的波形控制。

獨(dú)立的Microchip Technology MCP73855T-I/MF可以提供報(bào)警和報(bào)警條件的狀態(tài)輸出，并可以數(shù)字化啟用和禁用。這樣，當(dāng)充電器中沒(méi)有插入電池時(shí)，開(kāi)關(guān)控件可以自動(dòng)禁用該部件。這也允許用戶監(jiān)控LED狀態(tài)指示燈。

添加MCU

當(dāng)使用充電外圍設(shè)備與本地微控制器配合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的控制和功能。以AMS AS8510-ASSM為例，它是數(shù)字控制和監(jiān)控的基于分流器的電池傳感器的理想解決方案。

該器件具有集成的傳輸晶體管，可減少元件數(shù)量和高精度（ +/- 0.5％）預(yù)設(shè)電壓調(diào)節(jié)器。它還包括兩個(gè)數(shù)字濾波的16位Sigma Delta A/D轉(zhuǎn)換器以及用于外部溫度傳感器的可編程電流源。可以使用單個(gè)差分溫度傳感器，也可以將兩個(gè)單端傳感器或集成內(nèi)部溫度復(fù)用到A/D轉(zhuǎn)換級(jí)，以提供最大的靈活性。

該部件的獨(dú)特功能是在執(zhí)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償時(shí)繞過(guò)可編程增益放大器（PGA）的能力。通過(guò)消除信號(hào)鏈中的PGA，消除了增益漂移作為誤差源。因此，差分電池和電池接地信號(hào)路徑完全依賴于生產(chǎn)調(diào)整的內(nèi)部Vref。

注意，如果智能微控制器負(fù)責(zé)，所有這些功能都可以實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，由于采用串行SPI接口，AMS AS8510-ASSM及其所有設(shè)置，控制和數(shù)據(jù)均可以純數(shù)字格式訪問(wèn)。通過(guò)成為充電控制器和傳感器外圍設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)更高水平的更精細(xì)控制。傳感器監(jiān)控和充電控制可以是主控制器的后臺(tái)任務(wù)，但將涉及對(duì)主機(jī)微控制器進(jìn)行編碼的額外步驟。

簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，AMS AS8510 DEMOBOARD使用簡(jiǎn)單的USB接口和基于PC的GUI，用于訪問(wèn)所有設(shè)備寄存器和特殊設(shè)置。該開(kāi)發(fā)解決方案中包含的代碼演示可以幫助減少學(xué)習(xí)和編碼時(shí)間。

AMS AS8510銅管微型板測(cè)試并演示了這種銅分流方法，并通過(guò)熱系數(shù)補(bǔ)償演示了電流測(cè)量。內(nèi)部和銅質(zhì)曲折熱傳感器都可以選擇作為測(cè)量路徑，這個(gè)緊湊的小型單元最多可以處理60 A（圖3）。

圖3：低成本的現(xiàn)成模塊允許快速測(cè)試和開(kāi)發(fā)。該器件可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60安培負(fù)載的熱系數(shù)補(bǔ)償，并使用SPI接口輕松連接到嵌入式控制器。

AMS還有一個(gè)使用這項(xiàng)技術(shù)的教學(xué)視頻，名為“用傳感器解決方案塑造世界”。

雖然許多電池設(shè)計(jì)針對(duì)的是具有有限突發(fā)電流水平的小型手持式應(yīng)用，但更高功率的電池傳感器可以也提出了挑戰(zhàn)。更高電壓和更高電流技術(shù)可以使用分流和隔離設(shè)計(jì)方法，但這些可能會(huì)增加成本并增加空間限制。

例如，用作1000安培范圍的電流傳感器的0.01歐姆電阻將提供10伏滿量程范圍，易于衰減，可用于大多數(shù)混合信號(hào)微控制器。然而，同一個(gè)單元將需要10000瓦的部件，這是不小的壯舉。

專用傳感器用于更高功率的監(jiān)控和能量電池和電池的保護(hù)。其中一個(gè)例子來(lái)自Vishay及其WBPK600L0A00010001電池傳感器（圖4）。

圖4：用于現(xiàn)代大電流電池應(yīng)用的功率傳感器包括這個(gè)部分的系列傳感器，可以使用串行總線連續(xù)處理高達(dá)600安培的電流或2000安培的脈沖電源。

為了能夠通過(guò)高電流，電阻非常低，為100 microOhms與電池的電流串聯(lián)放置，電流可以是4到18伏。請(qǐng)注意該部分支持的高電流值。可以監(jiān)測(cè)600安培的連續(xù)電流，或者高達(dá)2000安培的脈沖功率可以通過(guò)該電池傳感器。

低（<5 nH）電感有助于限制反激強(qiáng)度和堅(jiān)固耐用的汽車功能密封包裝的工作溫度范圍為-40至+ 155°C。這部分使用串行LIN接口，作為從設(shè)備，可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)和編程，以設(shè)置可變的采樣率。

總之，電池不像以前那樣，電池傳感器有必須適應(yīng)提供安全有效的電池使用。雖然正在開(kāi)發(fā)熱膨脹內(nèi)部觸點(diǎn)等新技術(shù)以幫助保護(hù)電池在過(guò)熱條件下不會(huì)爆炸，但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，它仍將是基于傳感器的解決方案，以保護(hù)電池，設(shè)備和用戶。因此，重要的是不要過(guò)度輕松地進(jìn)行電池管理，控制和感應(yīng)。