本文探討了如何保證準(zhǔn)確和可重復(fù)的電池充電電平所需要的檢流電阻特性，以及WSL Power Metal Strip電阻如何滿(mǎn)足這些性能指標(biāo)
智能鋰離子充電電池具有高能量密度、高輸出電壓和長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn)，筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)和其他便攜式電子產(chǎn)品對(duì)這類(lèi)電池的需求與日俱增。在這些應(yīng)用中，準(zhǔn)確的充電測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，能夠限制充電應(yīng)力，在快速充電過(guò)程中始終保持電池的良好狀態(tài)。
本文以Vishay Intertechnology, Inc.公司的WSL Power Metal Strip檢流電阻說(shuō)明了如何應(yīng)對(duì)保持鋰離子充電電池的高性能過(guò)程中所遇到的挑戰(zhàn)。本文探討了如何保證準(zhǔn)確和可重復(fù)的電池充電電平所需要的檢流電阻特性，以及WSL Power Metal Strip電阻如何滿(mǎn)足這些性能指標(biāo)，在整個(gè)溫度和功率范圍內(nèi)精確和穩(wěn)定地測(cè)量電流。
智能鋰離子可充電電池
在筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)和其它便攜電子設(shè)備中，對(duì)智能鋰離子可充電電池的需求持續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏龋ㄅc鎳氫電池相比，大約是其容量的 1.5 倍，其重量的 2.0 倍）、高輸出電壓（3 V 到 4 V）、長(zhǎng)周期壽命和低自放電率（每月大約 5 %到 10%）。
然而，為了確保智能鋰離子可充電電池的性能，必須考慮三個(gè)固有的難點(diǎn)。首先，強(qiáng)電流放電會(huì)降低性能；即可用能量將會(huì)下降到 90%，有時(shí)會(huì)到達(dá)額定能量的 50%。其次，高內(nèi)部阻抗可能會(huì)導(dǎo)致電壓下降，從而難以高效利用預(yù)期的勢(shì)能。最后，所需的恒流和恒壓電荷難以控制。為了解決這些困難，人們已經(jīng)利用電阻元件開(kāi)發(fā)出了各種不同的智能電子充電器和監(jiān)控電路。
感應(yīng)電阻：一般應(yīng)用
針對(duì)電池充放電活動(dòng)的精準(zhǔn)測(cè)定，設(shè)計(jì)人員需要極為穩(wěn)定和精確的感應(yīng)電阻器，它應(yīng)當(dāng)具有如下特點(diǎn)：
• 極低的歐姆值：為了將能量損耗降到最低，所需的歐姆值必須低于 100 m。Power Metal Strip電阻值可以降低到 0.2 m。
• 緊密公差：為了將智能鋰離子可充電電池的總精確度維持在+1 %、將總可用功率容量維持在-0 %，采樣電阻的公差必須保持在± 1 %或更加嚴(yán)格的水平。
• 低溫度系數(shù)(TCR)：低溫度系數(shù)(TCR)是將測(cè)量誤差降至最低的必要條件。這個(gè)數(shù)值受到兩種熱源的影響：環(huán)境溫度， 以及由于電流消耗電力導(dǎo)致的自發(fā)熱。隨著電池容量增加，充電電流也會(huì)增大以達(dá)到相同的全容量，或縮短時(shí)間。隨著充電電流提高，低 TCR 成為必要條件。一般而言，由于自發(fā)熱產(chǎn)生的 R 最大值必須低于 100 ppm，環(huán)境溫度介于 0 °C 至+40 °C。因此，需要低 TCR 電阻支持電流感應(yīng)。參見(jiàn)表 1 的 TCR 對(duì)比。
• 低熱電動(dòng)勢(shì)：在待機(jī)模式下，筆記本電腦或智能手機(jī)需要 50 mA 到 100 mA 的電流運(yùn)行其 DRAM、CPU、無(wú)線(xiàn)和蜂窩電路。因此，在待機(jī)模式下，相比電壓產(chǎn)生的輸出電流的終端熱電動(dòng)勢(shì)，采樣電阻的熱電動(dòng)勢(shì)(EMF)必須更低。
應(yīng)用 – 電阻值
為了將功率損耗和充電時(shí)間降至最低，將互聯(lián)化設(shè)備的智能鋰離子可充電電池勢(shì)能效率最大化，采樣電阻的歐姆值必須盡可能接近于零。然而，這種理想條件是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)有限的分辨率需要在采樣電阻的終端之間達(dá)到特定的電壓水平。
決定微型計(jì)算機(jī)分辨率的關(guān)鍵因素是它的
半導(dǎo)體噪聲和偏移電壓。在各種微型計(jì)算機(jī)中所使用的典型電阻值包括100 m、50 m、20 m、10 m 甚至更低。目前Vishay Dale Power Metal Strip WSLP、WSLP3921、5931、WSR5和WSHM系列產(chǎn)品都提供了高額定功率和低至0.2 m的極低電阻值（低至 0.2 m）。這可以節(jié)省安裝成本和空間，并改善了智能鋰離子可充電電池的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。
通過(guò)對(duì)比，需要四到六個(gè)傳統(tǒng)金屬陶瓷芯片才能獲得極低的歐姆值。采用傳統(tǒng)的薄膜芯片，由于低功率容量，至少需要兩個(gè)芯片。此外，使用并聯(lián)電阻測(cè)量電流并不如單個(gè)電阻準(zhǔn)確，因?yàn)樵诜种щ娐分g可能存在微小的電阻不平衡，導(dǎo)致測(cè)量電路中的電流流動(dòng)。
圖1：POWER METAL STRIP的TCR 性能。
應(yīng)用的測(cè)量精度
電池容量持續(xù)增長(zhǎng)，但維持或降低充電時(shí)間需要提高充電電流。更高的充電電流可以提高鋰離子電池的壓力，而這會(huì)引起災(zāi)難性故障或縮短周期壽命。更重要的是，它可以確保充電電路在溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，因?yàn)橛晒?、TCR 和熱電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致的測(cè)量誤差會(huì)產(chǎn)生高出預(yù)期的充電率，從而提高電池故障的風(fēng)險(xiǎn)。部分設(shè)計(jì)人員建議總誤差分配應(yīng)保持在< 1 %。
Power Metal Strip系列產(chǎn)品具有高額定功率，支持快速充電功能，低至 0.1 %的緊密度公差、低于 35 ppm 的電阻溫度系數(shù)和< 3 μV/°C 的熱電動(dòng)勢(shì)。這些特點(diǎn)在整體溫度和功率范圍內(nèi)均可支持穩(wěn)定和精確的電流測(cè)量。
支持智能鋰離子可充電電池的微型計(jì)算機(jī)
微型計(jì)算機(jī)具有各種各樣的功能，以維護(hù)智能鋰離子可充電電池可用容量的準(zhǔn)確記錄。
• 監(jiān)控采樣電阻的電壓降，將電池負(fù)極端子與接地串聯(lián)，以確定電池的充放電活動(dòng)。
• 能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償電池溫度和充放電率以及自放電計(jì)算值，以提供各種運(yùn)行條件下的可用容量信息
• 自動(dòng)重新校準(zhǔn)電池容量或查看放電過(guò)程中從充足電量到零的容量。
電池充電的順序首先是，恒定電流充電直到終端電壓達(dá)到4.1 V 或 4.2 V。然后，切換到恒定電壓充電模式，直到完全充電為止。在完全充電之后，必須立即停止。
圖2：高歐姆值提高充電時(shí)間，并導(dǎo)致較大的功率損耗。
（時(shí)間約30分鐘，R1 = 10 mΩ; R2 = 50 mΩ）
智能充電器電路
有兩種基本的智能充電器電路：
• 活動(dòng)電位 – 傳統(tǒng)類(lèi)型
當(dāng)智能鋰離子可充電電池從設(shè)備取下時(shí)，終端之間的電位仍然是活躍的（圖3）。在誤用出現(xiàn)短路的情況下，由于異常的高放電電流，它們可能會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，智能鋰離子可充電電池需要保護(hù)電阻或熔斷電阻，切斷了異常的高電流。這得以阻止電路活動(dòng)。
圖3：主動(dòng)電位類(lèi)型（傳統(tǒng)）。
從設(shè)備上取下時(shí)，終端之間的電位仍然是活躍的。因此，為了保護(hù)充電電路，使用了可以在高電流下燒壞的熔斷電阻。
• 非活動(dòng)電位 – 高級(jí)類(lèi)型
當(dāng)智能鋰離子可充電電池從設(shè)備取下時(shí)，終端之間的電位為零（圖4）。因此，它們不可能發(fā)生電氣短路。
圖4：非活動(dòng)電位類(lèi)型（高級(jí)）。
從設(shè)備上取下時(shí)，終端之間的電位仍然為零。因此，這種情況使用了 Vishay Dale Power Metal Strip電阻。
作者：Masatake Nakazawa
Vishay Intertechnology, Inc.
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