鲁思慧

    本文介绍便携设备电池中的库仑计量应用，主要对库仑计的频率采样技术与测试仿真技术及数据作分析。

    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