关于库仑计量

    有许多种方法可以测量电流(脉冲的或非脉动)，但在测量流入和流出电池的电流时可选择的方法则非常有限。几乎所有有电池供电的便携设备最常用的库仑计方法是采用一个非常小的串联电阻作为检流器，然后再将串联电阻上的电压降模拟量转换成数字量。而库仑(电量)计量的目的又在于提供准确的电池剩余电量信息，而电池的剩余电量是用户所需要的重要信息之一，通常在电池充电时，该值增加，电池放电时，该值减少。

    而今，有几种模拟到数字转换(ADC)方式在已商品化库仑计量产品中得到了应用。由于该ADC方法要求对高频信号成份要进行积分，即大多产品采用的是△-∑转换器，特别是在电压频率转换器(VFC)中最为常见。用这种进行积分要求的离散采样ADC方式似乎在应用中是不会精确的。然而，只要通过对采样理论及特定应用的电流波形的深人理解，再加上对测试数据的分析，人们将会发现用离散采样的ADC方式能够成为对库仑的精确计量。那末如何深人理解上述这三个问题呢?为此特作以下几个问题分折。

    便携设备电池中的库仑计量

    精确库仑计量的要求

    为精确库仑计量，先说明便携设备中的三个要求。

    首先，很重要的是应该理解在库仑计量应用中，其测试系统的中目的是精确跟踪流入和流出电池的净电流。而库仑(电量)计量的目的又在于提供准确的电池剩余电量信息。为此，精确测量净电流至关重要。虽然便携设备中电流波形比较复杂，但我们只对其电流波形的积分感兴趣(即无需波形重建)。这样，只要能够得到精确的净电荷数就可以了，而不必考虑任何频率信息。

    其次，便携式设备应用的第二个要求是，电流测量电路的加入不应对电池寿命有显著影响。一方面，为保证测量系统在连续工作的情况下不显著增加电池消耗，就必须把库仑计数器的功耗限定在0.5mW以内。此外，为使I2R损耗尽可能低，要求检流电阻相比电池组的总串联电阻要足够小。

    其三，大多数便携式系统中，实现精确的库仑计量的第三个要求是大动态范围。一般来讲，便携产品至少工作在两种功率等级。一种是工作较少或间歇性运行的待机或低功耗模式。另一种是设备执行其规定任务的高功率模式。通常情况下，高功率模式在长时间的低功耗模式之间被短暂唤醒。在移动电话中，大功率和低功率模式被称为通话和待机模式。正如移动电话和其它无线产品一样，大多数便携产品自动切换各种功率模式，无法预先通知库仑计，这就要求电流测量系统在无法预测模式切换的情况下，既可计量长时间的低电流又可计量短时间的大电流。为精确累计任何工作模式下的采集电流，要求在整个动态范围内保持线性。

    库仑计精度的设计

    当考虑到各个方面的应用要求时，设计所面临挑战的广度便显现出来了。要达到足够的精度要求，就必须即能在数以天计的时间内对小电流进行积分，又能在以分钟计的时间内对大电流进行积分，为捕捉最小和最大幅度的信号，需要高达35dB至45dB的动态范围。测量系统必须用极低功耗的电路实现，而低功耗电路又很容易受噪声的影响。随着电池和保护电路电阻的持续下降，库仑计需要测试的信号电平也同样下降。可接受的库仑计检流电阻值在10mΩ至30mΩ范围，它所产生的低功耗模式电流检测信号为几十毫伏。为改善库仑计数器在数以天计的时间计量待机电流的精度，分辨率和输入失调误差必须低于20uV。否则，如果检流电阻为25mΩ，而分辨率与输入失调误差共计100 uV，则那每天错误累计的电量将达96mAh。按这种情况，如果将一个电池的电量为650mAh，若充满电的电池断开一个星期(7*96=662 mAh)，则可能会表现为完全耗尽的状态，更为严重的是，一个完全耗尽的电池可能会呈现出充满电的状态。由此可见库仑计精度设计的重要了。

    关于无线手机的电流波形

    在基于GSM或CDMA无线通信标准的数字无线手机中，电流波形表现为上述两种功率模式(即，待机或低功耗模式和高功率模式)。但它们的问题尤其具有挑战性，这是因为功率放大器(PA)以短时突发方式发送信息，而PA的电流与其它负载电流相比又占主导地位。数字手机的高功率模式由重复性电流脉冲组成，这些电流脉冲用于通话过程中的突发发送。待机模式下，PA以较低的脉动频率应答蜂窝基站的周期性寻呼。典型的寻呼间隔是0.5s至2s。除脉冲频率变化以外，脉冲幅度在通话和待机模式下也发生变化。这是因为PA功率是按照接收功率进行调节的，这主要取决于手机与蜂窝基站之间的距离。

    GSM／GPRS

    GSM标准在每个信道定义了一个包含8个时隙的4.615ms帧。这些时隙是共用的，使得每个工作在同一信道的GSM手持终端可利用一个时隙发送、一个时隙接收。进行一次通话时，PA电流表现为占空比为12.5%的脉冲波形，如图1所示。

    典型电流和最坏情况下的PA电流分别为lA和3A。图1取自一个通话期间工作在满信号强度的GSM手持终端。滤波电容上的电压是离散采样器件ADC的输入信号。

    运行在GSM网络的GPRS标准利用附加时隙提高数据速率，附加时隙被指定用于发送或接收。当数据从手机上传到网络时，GPRS类12下有四个时隙能够用于发送数据。由于PA用四个连续时隙发送数据，工作在GPRS类12的手机电池电流是占空比为50%的脉冲。

    CDMA

    CDMA标准定义一个帧为20ms，它分为16个功率控制组，每组周期1.25ms，由数据速率确定采用16个组的哪种组合方式。PA发送功率在每一个1.25ms周期之间是变化的。对于不发送数据的周期，功率会下降多达20dB。CDMA PA的电流波形在最坏情况下最大幅度可达到600mA，这对于库仑计量而言难度不大，

    关于(离散性)采样理论

    从傅里叶级数看出:离散采样都能捕捉到一个频率更低，但具有相同直流成份的方波。

    尽管与用在下变频或波形重建中的欠采样技术的严格定义不相符，但以接近于信号频率进行的非相关(离散性)采样可精确地捕捉重复信号的平均值(直流成分)。按照定义，重复信号的直流成份与频率或相位无关，这一点可以从傅里叶级数看出：

    f(t)=A0+A1sin(ωlt+q1)十

    A2sin(ω2t+q2)十…十Ansin(ωnt十qn)

    对于所有的Aω、An、qn和t，f(t)的平均值=A0。只要采样速率不是这些载能频率的谐波，则信号何时处于稳态并不重要(也就是说A0何时恒定)。以方波为例，用A0表示的直流成份不随频率变化；只要不以其基频或其谐波的倍频进行欠采样都能捕捉到一个频率更低，但具有相同直流成份的方波。

    通过(离散性)采样精确测量信号的平均值:为达到库仑计量的目标，可以通过(离散性)采样精确测量信号的平均值，即使是在感兴趣的信号中存在低频、非重复性分量，或者是迥异于直流成份的模式。如果相比于采样频率，低频分量低于奈奎斯特采样频率或者离散模式延续较长的时间，(离散性)采样也是有效的。再来考虑方波这个例子，设想占空比被1／10采样频率的信号调制，采样器可以在10次采样中放弃8个，并且仍然能够如实地再生出调制信号。接下来，我们再设想一下占空比缓慢地交替变化，而且随机在三种离散模式：50%至10%至1%下变化的情况。每种模式的直流分量不同，而且很重要，但只要每种模式与采样速率相比持续足够长的时间，信号就可以认为在每种模式下是固定的，在两种情况下都可以精确测量直流分量。

    采样频率不能等于信号频率或其谐波频率。虽然时基误差对于波形重建和库仑计量应用中的欠采样技术都非常关键，但用于波形重建的(离散性)采样对于各采样之间的抖动失真较为敏感。具有低漂移和低抖动的高品质时基对这种系统的性能是至关重要的，而频率和相位信息在库仑计量中并不重要，因此不需要保持精确采样间隔的时基，但平均频率必须稳定、净时钟抖动平均为零。另外，为保持非相干性，采样频率(包括最坏情况下的偏差)不能等于信号频率或其谐波频率。时基必须保持抖动均值为零的长期频率稳定性，以便精确测量直流分量。

    测试与数据的分析

    测试方案组成

    为分析离散采样测试器件在脉冲电流库仑计量应用中的有效性，选用了内置25mΩ检流电阻的DS2762高精度Li+电池监视器。所采用的测试装置如图2所示，实验中选用了700mAh的棱柱型Li+电池。选用Arbin电池测试系统作为电池充电器和GSM或CDMA负载仿真器。

    其 DS2762芯片是MAXIM公司推出的新一代智能锂电池监测芯片，该芯片集数据采集、信息储存、安全保护于一身，而且功能强大、硬件接线简单。其主要特性如下：

    * 仅用一根双向数据线即可实现与单片机或(PC机)的通信

    * 内含温度传感器，可免去在电池块内装设热敏电阻

    * 通过片内累计电流寄存器(ACR)可实时记录电流流入、流出的总量。

    * 片内模数转换器可进行电池电压监测，以用于判定电池充电和放电的结束。

    * 具有两种电流感应模式，一是片内25mΩ电阻感应方式，二是可由片外用户选择的电阻感应方式。

    *具有两种电源模式：即工作方式和睡眠方式。在正常工作模式，DS2761可实时监测电流、电压、温度和剩余电量等参数，而在睡眠模式，DS2762将停止对这些参数的监测。

    DS2761芯片引脚排列如图2所示，各引脚的功能如下：

    CC：充电保护控制脚；

    DC：放电保护控制怖脚；

    SNS：感应电阻连接端；

    DQ：数据输入、输出端口；

    IS1，IS2：感应输入端；

    PS：电源模式选择端；

    VSS：接地；

    VDD：电池正极输入。

    由图2的DS2761可知，芯片内部集成有ADC模数转换器和数字温度传感器，因此，要获得电池电压、温度等参数，只需通过PC机对DS2761发出采集电压、温度的控制命令，并待其采样完毕后自动将电压、温度的测量值存入相应的寄存器，最后再由PC机读取寄存器的内容即可。

    剩余电量的监测

    由于库仑(电量)计量的目的在于提供准确的电池剩余电量信息，故有必要对电池的剩余电量的监测作一说明。

    由于对电池的剩余电量是用户所需要的重要信息之一，它可利用累计电流寄存器(ACR)中的值来求得。累计电流寄存器的值是由DS2761实时自动测量电池电流后得到的，因而无须对其进行控制。通常在电池充电时，该值增加，电池放电时，该值减少。这样，通过(PC机)读取此值即可获得剩余电量。剩余电量监测的流程图见图3所示。

    在(PC)机对DS2761进行任意存储命令操作时，每个命令发出之前都必须按照DS2761的复位时序要求先发出复位信号且等待DS2761的应答(以示DS2761准备接受或发送数据)，然后再发出一个ROM命令以用于选择总线上要访问的DS2761。在本文的程序流程图中，此过程已在“DS2762的初始化”程序中所包含。

    一般情况下，在读取累计电流寄存器(ACR)值时，为防止读取错误，要先检查DS2761是否正在修改寄存器的内容。这一点可通过判断DS2761中的EEPROM寄存器的EEC位来实现。

    Arbin电池测试系统作为电池充电器和GSM或CDMA负载仿真器的工作流程

    Arbin通过编程可以完成以下步骤。利用恒流／恒压(CC/ICV)方式将电池充满，然后，持续在GSM负载下完全放电。接下来再次充电，并随后在等效于GSM平均负载的直流负载下放电。大约每隔5s用PC机记录—次DS2761的数据(实时电流、温度、电池电压和累计电流)。该过程在带有前置滤波电容(CF=0。19μF)时执行一次，然后去掉滤波电容重复上述过程，以便观测滤波器对于ADC输入信号幅度的衰减对测量结果所产生的影响，如图1波形(2)所示。

    充电周期内，电池以0.7C(490mA)的恒定电流充电、直到电池电压达到4.2V，然后电池以4.2V的恒压方式浮充直到充电电流跌落到0.1C(70mA)以下。用持续时间为550μs的2.0A峰值电流和4.6ms的周期(12%占空比)模拟GSM负载。脉冲之间的电流设置为100mA。这样，从GSM波形产生的平均电流为327mA。电池电压达到3.0V时认为电池完全放电。

    测试结果分析

    测试仿真结果用两种方式表示出来。图4表示DS2761的累计电流寄存器(ACR)的值在充电、CC放电和GSM放电期间随时间的变化。两组波形分别表示有、无前置滤波电容情况下的ACR数值。该实验中没有对各个充电／放电周期终点的ACR数值进行校准，尽管校准在电量计量算法中已普遍采用。

    如果不存在输入失调或分辨率误差，电池充电效率为100%，每次电池完全放电后ACR的数值应该返回为零。实际上，测量误差和电池的无效充电所贡献的误差都会在每次充电／放电的终点处表现为一定的ACR数值。

    采用前置滤波器时，充满电的电池分别在脉冲GSM负载和等效于GSM波形平均值的直流负载下放电。放电时间相差23s或者说是直流负载下总放电时间的0.32%。两种负载下ACR数值相差3。43mAh，即电池额定容量的0.49%。放电时间和ACR的变化量实际低于不采用前置滤波的情况，它们分别减小了0.11%和0.39%。

    表1描述了终点处的偏差值，但各次循环之间因放电方式和是否采用了滤波电容而各不相同。终点数据的一致性表明，滤波电容并没有带来好处，反而在GSM负载厂显示出性能的降低。尽管前置滤波可以积分高频能量、降低对采样丰的要求，但其主要目的是为了扩大脉冲负载下ADC的动态范围。对于1.6A、占空比为12%的(从图1可以看出滤波后的峰值为750mA)脉冲电流没有超出DS2761 1.8A的动态范围限制，这种情况下采用滤波器没有什么收效。在大电流或较高占空比的应用中，如果不采用滤波电路信号有可能使ADC饱和，前置滤波的好处就可以明显地体现出来。

    结论

    本文分析了应用需求与离散采样技术所要求的条件，特别是它们与测量—个信号的平均值之间的联系。定性显示了近信号频率非相关离散采样技术可作为一个精确的手段，用来捕捉重复性信号的直流成份。而且，利用DS2761高精度Li+电池监视器对于电池的充电和放电过程(直流和脉冲电流)的测量，也定性地支持了频率离散采样技术。数据显示，库仑计数据测试直流放电或GSM负载放电时的偏差低于额定电池容量的1%。