W niemal każdym przenośnym urządzeniu elektronicznym produkowanym współcześnie jest instalowany wskaźnik stanu baterii. STMicroelectronics oferuje układ STC3100 dedykowany do monitorowania dostępnej pojemności akumulatora.

Układ STC3100 został zaprojektowany do monitorowania ładowania akumulatorów i określana jego stanu podczas eksploatacji. Funkcja ta jest realizowana przez pomiar ładunku elektrycznego dostarczanego do akumulatora podczas ładowania i pomiar ładunku pobranego z akumulatora w fazie jego eksploatacji. Podstawowym zastosowaniem układu STC3100 jest monitorowanie krytycznych parametrów jednokomorowych akumulatorów Li-Ion – napięcia, temperatury i prądu. Układ realizuje sprzętową implementację pomiaru ładunku dostarczanego i pobieranego do/z akumulatora. Wykorzystywany jest do tego wewnętrzny przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczości 12 do 14 bitów. Do pomiaru prądu o natężeniu do 2,5 A niezbędny jest zewnętrzny rezystor 30 mΩ. Układ STC3100 mierzy pojemność akumulatora do ±7000 mAh z rozdzielczością 0,2 mAh. Konfigurowanie układu STC3100, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 1 odbywa się przez interfejs I²C.

Rys. 1. Schemat blokowy układu STC3100

Do określenia dostępnej pojemności akumulatora konieczne jest przeprowadzenie bilansu ilości ładunku wprowadzonego do akumulatora w trakcie ładowania i ładunku pobranego podczas eksploatacji. Do pomiaru ładunku wykorzystywana jest znana zależność: Q=i*t. Prąd przepływający przez zewnętrzny rezystor pomiarowy jest mierzony i przetwarzany na postać cyfrową przez 12- do 14-bitowy przetwornik A/C. Każda uzyskana w ten sposób próbka jest sumowana w 28-bitowym akumulatorze, co odpowiada sprzętowej realizacji całkowania prądu po czasie. Operacja ta przebiega z ustalonym cyklem przetwarzania. Stan akumulatora odpowiada zatem ilości ładunku przepływającego w układzie pomiarowym. Zewnętrzny kontroler systemowy może za pośrednictwem interfejsu I²C odczytywać 16 najstarszych bitów tego akumulatora. Schemat blokowy układu wykorzystywanego do pomiaru ładunku przedstawiono na rysunku 2. Budowa wewnętrzna układu STC3100 umożliwia ponadto pomiar cyfrowego błędu offsetu, co jest wykorzystywane do kalibracji licznika ładunku.

Rys. 2. Schemat blokowy układu licznika ładunku elektrycznego

Przy wykorzystaniu wewnętrznego rezonatora o częstotliwości 32768 Hz uzyskiwane są czasy konwersji 125 do 500 ms dla rozdzielczości 12- do 14-bitowej. Przy zastosowaniu zewnętrznego rezystora o oporności 30 mΩ, 28-bitowy akumulator zapewnia pomiar pojemności ok. ±7000 mAh, a dostępność 16 najstarszych bitów odpowiada odczytywaniu ładunku elektrycznego z rozdzielczością 0,2 mAh.

Spadek napięcia na mierzonym akumulatorze poniżej progu odcięcia ustalonemu na 2,7 V powoduje wstrzymanie pracy licznika ładunku. Układ STC3100 jest wówczas przełączany w stan standby, w którym pobiera minimalny prąd zasilający. Wszystkie rejestry wewnętrzne są jednak obsługiwane aż do napięcia 2,0 V. Poniżej tej wartości są zerowane.

Układ STC3100 może pracować z wewnętrznym rezonatorem 32768 Hz lub zewnętrznym RTC, z którym możliwe jest osiągnięcie większej dokładności.

Oprócz pomiaru ładunku elektrycznego układ STC3100 mierzy również napięcie na monitorowanym akumulatorze, a także jego temperaturę. Jest to możliwe dzięki wbudowanemu multiplekserowi dołączającemu odpowiednie wejścia do przetwornika A/C. Rozdzielczość pomiaru napięcia jest równa 2,44 mV, zaś temperatury 0,125°C.

Układ STC3100 ma jedno wejście/wyjście ogólnego przeznaczenia i 32 rejestry ulokowane w pamięci RAM. Są one wykorzystywane do konfigurowania układu i odczytywania informacji statusowych.

Komunikacja z układem STC3100 jest prowadzona za pośrednictwem interfejsu I²C. Każdy układ ma własny 8-bajtowy unikatowy ID składający się z 8-bitowego identyfikatora układu (10h dla STC3100), 48-bitowego unikatowego ID i 8-bitowego CRC. Typowy schemat aplikacyjny układu STC3100 przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Typowy schemat aplikacyjnych układu STC3100