精准库仑计LTC2944内部结构和工作原理
《高精度 60V 电池电量监测》系列专辑由两篇文章构成，围绕电池电量监测，主要介绍了 ADI LTC2944 高至 60V 精准库仑计方案，助力打造高性能电池监测系统。
本文为下篇，将对 LTC2944 的内部结构、工作原理以及具体的库仑计方案进行深入解析。关于电池设备的普及性、准确电量监测的重要性以及电量测量的原理介绍，可参考上篇《高精度 60V 电池电量监测 (上) 》。
精准的库仑计方案
在上篇文章中，我们提出了准确进行 SOC 分析的前提，是准确得到电压、电流、温度、库仑计数参数。LTC2944 正是这样一款能够单芯片获取所有参数的平台方案。它的外围电路也十分简单，易于设计开发，将高精度的需求保障集成在芯片内部。
LTC2944 内部结构和工作原理
如下图 (图1) 所示为 LTC2944 的工作原理。从物理意义来说，电荷 (库仑) 是电流在时间层面的积分。LTC2944 通过监测采样电阻两端产生的电压来测量电荷，这个电压范围是 ±50mV，芯片对其的精度高达 99%。其中差分电压被施加到自动调零的差分模拟积分器以换算电荷。
当积分器输出斜坡至高参考电平和低参考电平 (REFHI 和 REFLO) 时，开关将会切换以反转电压变化方向。控制电路将观察开关的状态和电压变化方向以确定极性。接下来，可编程预分频器允许用户将积分时间增加 1 到 4096 倍。随着预分频器的每次下溢出或上溢出，累积电荷寄存器 (ACR) 最终递增或递减一个计数单位。
图1 LTC2944 的工作原理
值得注意的是，LTC2944 库仑计数器中使用的vwin 积分器引入了最小的差分偏移电压，因此最大限度地减少了对总电荷误差的影响。许多库仑计 IC 对感测电阻器两端的电压进行模数转换，并累积转换结果以推断电荷。在这样的方案中，差分偏移电压可能是误差的主要来源，尤其是在小信号读取期间。
例如，假设一个电量计方案中，是基于 ADC 原理的库仑计数器，并具有 20uV 的最大指定差分电压偏移水平，则该电压偏移对 1mV 的输入信号进行数字积分后，偏移导致的充电误差为 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模拟积分器，电荷误差仅为 0.04%，小了 50 倍。
极高的精度表现
当库仑计工作在平坦充放电曲线的区间时，电流和温度是系统需要获取的关键参数。这种设计的挑战在于，电池的端子电压 (带载时) 会受到电池电流和温度的显著影响。因此，必须对电压读数进行校正补偿，补偿因子是与电池电流、开路电压 (空载时)、温度成比例的。在操作过程中为了测量开路电压，就需要断开电池与负载的连接，这是不切实际的，因此实际操作中是根据电流和温度曲线调整端子电压读数。
由于获得高 SOC 精度是系统最终设计目标，LTC2944 使用 14 位无延迟 ΔΣADC 用于测量电压、电流和温度，精度分别高达 1.3% 和 ±3℃。事实上，LTC2944 的性能实际表现还要更好。如下图 (图2) 显示了 LTC2944 中的某些精度值是如何随温度和电压而变化的，主要体现了以下三个规律特点。
当测量电压时，ADC 总的未调整误差小于 ±0.5%，且在感测电压范围内较恒定
当测量电流时，ADC 增益误差通常在工作温度下小于 ±0.5%
对于任何给定的感测电压，温度误差仅随温度变化约 ±1 摄氏度
所有这些精度指标加在一起，就会显著影响 SOC 的精度，这就是为什么电压、电流和温度的监测对电池电量计应用很重要。
图2LTC2944 各种精度表现图
LTC2944 在测量电压、电流和温度时，提供四种 ADC 操作模式。在自动模式下，芯片以几毫秒的周期连续执行 ADC 转换，而扫描模式是每 10 秒转换一次，然后进入睡眠状态。在手动模式下，芯片对命令执行一次转换，然后进入睡眠状态。每当芯片处于睡眠模式时，静态电流都会降至 80uA。LTC2944 的整个模拟部分也可以完全关闭，以将静态电流进一步降低到 15uA。这让 LTC2944 在系统中额外耗电的存在感进一步降低。
为何没有电池模型？
用户可以使用数字 I2C 接口从 LTC2944 读取电池电量、电压、电流和温度。用户还可以通过 I2C 配置几个 16 位寄存器，读取状态、控制开/关，并为每个参数设置可报警的高阈值和低阈值。警报系统消除了连续软件轮询的需要，并释放 I2C 总线和主机来执行其他任务。此外，ALCC 引脚既可用作 SMBus 警报输出，也配置为充满电或放空电的提示信号。有了所有这些数字功能，有人可能仍然会问，“为什么 LTC2944 没有内置电池模型或 SOC 估计算法?” 答案很简单，为了追求极致的准确性。
虽然具有内置电池配置文件和算法的电量计芯片可以简化设计，但它们往往是根据实际电池做的不充分或不相关的模型，并在这个过程中牺牲了 SOC 的准确性。例如，用户可能被迫使用由未知来源或未知温度范围内生成的充放电曲线；可能不支持精确的电池化学性质，这会对 SOC 精度造成更大影响。
关键是，精确的电池建模通常考虑许多变量，并且足够复杂，因此用户可以在软件中对自己的电池进行建模，以获得最高水平的 SOC 精度，而不是依赖于不准确的通用内置模型。这些内置模型也使电量计功能变得不灵活，难以重复设计到其他应用中。实际调试开发中，在软件中进行 SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。
此外，高电压范围也是 LTC2944 与当今市场上其他类似功能产品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的电池直接供电，也可以由高达 60V 的满电电池组供电，解决了从低功耗便携式电子产品到高压电动汽车的任何应用。LTC2944 的外围电路也十分精简，这可以进一步降低 LTC2944 电路的总功耗并提高精度。
总结
电池电量监测是一项复杂的电路设计工作，因为有许多相互依赖的参数会影响 SOC。行业内普遍认可的是，准确的库仑计数，加上电压、电流和温度读数，是估计 SOC 的最准确方法。LTC2944 库仑计提供所有这些参数的测量功能，并且故意规避了内部电池建模功能，允许用户在特定应用软件中实现自己的相关配置文件和算法。此外，测量和配置寄存器可以通过 I2C 接口轻松实现，支持最高 60V 的电池系统，并且可用于任何化学成分的电池，最重要的是，它的准确度是行业内无与伦比的。
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原文标题：高精度 60V 电池电量监测 (下)
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