一、前言

使用便攜式電子產品，希望能夠隨時了解電池的所剩電量，所能持續的工作時間，并且據此調節相關應用，這無疑將是一個非常方便的事情，尤其適合使用智能手機的商務人士。電池電量檢測技術在筆記本電腦中已經屢見不鮮，多數筆記本電腦都有電源管理的選項，供應不同的電源工作模式以及電池報警功能。但是在更加小型化的便攜產品市場，這一技術卻還不多見。

便攜式產品供應的功能越來越紛繁，用戶日益要準確地監測電池電量，以便靈活管理可用電源，明確顯示剩余工作時間，盡可能延長系統運行的時間。現在大多數手機采用的電量測量方法還比較簡單，缺乏精確度。目前主流的檢測方法是簡單測量電池電壓，估算相對應的電池剩余電量。總電量除以4或5，也就是通常能在手機屏幕上看見的4格或者5格的電量Bar，所以每格的精確度即是25%或者20%，這樣的精度顯然無法滿足高精度要求的應用。

這種電壓估測電量的方法通常如下：一塊電池在放電的時候，電池的電壓會隨著電池電量的流失逐漸地下降。這樣就可以得到一個比較簡單而有效的對應關系，就是電壓對應容量。通過電池正常使用(比如100mA放電)的放電曲線，對時間進行4等分，以充電限制電壓為4.2V的鋰離子電池為例，可以列出這樣一個對應關系，4.20V—100%，3.85V—75%，3.75V—50%，3.60V—25%，3.40V—5%(因為手機不可能完全用光電池的電量，一般低于3.40V時就可能自動關機了)。很顯然，這種精度最高只有25%。另外，電池電壓會隨著RFpA的功率發射發生突變，通常會變小0.2V-0.3V。假如一味的使用電壓模擬電量方法，就會誤差更大。為了解決電池電壓突然變小的測量問題，當前工程師們的普遍方法是利用軟件算法進行均值濾波，對一段時間內的電池電壓進行均值化，假如該時間段的平均電池電壓確實下降了，則預估電量確實變少了，否則即認為電量并未變化。

電池電壓模擬剩余電量的方法確實存在著缺陷，而通過庫侖計實時監測電池消耗電量而計算剩余電量的方法則非常準確。Fairchild的FAN4010是這種應用的典型器件。它是一顆電流檢測傳感器，專門用于檢測便攜式設備電池的充電/耗電電流，能將通過精密檢測電阻的電流信號轉換為ADC可以檢測到的電壓信號，從而計算一段時間內消耗的真實電量。

二、硬件電路的典型設計

為了滿足高精度的電池電量監測需求，FAN4010外加合適的應用電路并加上特定的軟件控制算法，就能夠很好的達到要求。如圖1是FAN4010的典型應用框圖。外圍只要兩個電阻Rsense、Rout即構成高精度的放大電路。如圖2是內部結構原理示意圖，所以存在Vsense=I_load*Rsense,Vout=0.01*Vsense*Rout，由此兩關系式可以等到I_load=100*Vout/(Rout*Rsense)，所以只要用ADC監測Vout上的電壓，再除以已知的電阻值Rout和Rsense，就可以得到準確的負載消耗電流，而電流對時間進行積分，

，即可以達到所消耗的電量準確值。用總電量減去準確的電量消耗值，即可得到準確的剩余電量。充電電路，則同理。

圖1FAN4010的應用框圖

圖2FAN4010的內部結構原理示意圖

FAN4010的典型應用圖以及Rsense、Rout的選值要求如下。其中圖3為電池的充電電路，圖4為電池的放電電路。

圖3充電部分的參考原理圖

圖4放電部分的參考原理圖

Rsense(R_sense1/R_sense2)

這兩個電阻串聯在充電和放電的路徑上。因此，我們要一個低阻值的電流采樣電阻。矛盾的是，假如Rsense太低，精度都將丟失。若Rsense選擇的過大，則此電阻上的壓降和功耗都很大。因此，Rsense的選擇應該是理想的高精確度和所能允許電壓損失的綜合平衡。雖然FAN4010在Vsense值較低時采樣電阻上的功耗最小，但是一個更大的Rsense值能供應更多的準確性。然而較大的Rsense會出現一個比較大的電壓降，減少了可供應給負載的有效電壓，這在低電壓尤其電池供電的應用中會很有麻煩。正因為如此，設計中要很好地了解預期的最大允許負載電流和負載供電電壓。為了獲得最大化的精度，建議Rsense的選擇應符合以下條件：10mV

Rout(R_out1/R_out2)

接到GND上的Rout這個電阻，是用來出現一個可供ADC檢測到的電壓信號。它的選擇重要取決于兩個參數：I_out(即I_load*Rsense/100)以及ADC的電壓采樣范圍。最大的I_load出現的最大Vout不能超過ADC的最大采樣電壓。為了保證精度最大化，同時又希望最大的Vout能盡量接近ADC的最大采樣量程。

另外，為了保證FAN4010的最大線性化，Rout的選擇應滿足關系式：

其中Vin為輸入電壓，Iout_fs的值則是表1中的對應值，在不同的最大Vsense時，其值不相同。例如，若最大的Vsense為500mV時，則Iout_fs=5mA。

Table.1Iout_FS的選值表

Layout設計圖例如圖5，走線的基本原則是：FAN4010盡量靠近充電/放電路徑。

圖5layout實例