【技术干货】预装电池设计，是如何提升用户体验的？

尽管当年iPhone的这一设计也受到过诸如“可维修性变差”等诟病，但是用户还是很快接受了产品交付时“开盖即用”的体验，因此到了今天，不论电池是否可更换，预装电池已经成为多数电子产品的标准设计。

其实不仅仅是用户端，从产品端来看，预装电池产品也给开发者提供了很多便利，比如，产品包装大大简化，不再需要复杂的多舱室设计以防止电池与其它元件的碰撞，同时电池内置设计也进一步放宽了与物理接触有关的浪涌和ESD防护要求以及电池连接的防呆、防误要求。到了今天“可穿戴”概念日渐流行，产品结构日益紧凑，预装电池设计更是成为工程师的必修课。


预装电池设计的四个考量

预装电池的设计看似简单，但是其中还是会需要一些细节的考量。比如说，电池预装或内置电池需要保证成品仓储期间电池的容量足以保持在有电交付状态；还有，如何能够保证在软件或硬件死锁时可有效重启——之前一种有效的办法就是“抠电池”，对用户来说这确实不是愉快的经历。

归纳起来，一个完善的预装电池设计，需要考虑以下四个因素：

冷复位：冷复位用英文来表示是Power cycle或Restart，通常我们把单片机从没加电到加上电源而自动产生的复位称为冷复位。与其对应的概念是“热复位”，用英文来表示是Reset，是指单片机在已经通电的情况下，给它一个复位信号进行复位。热复位是处理器按预定设计恢复到预定的状态，其有效的前提是处理器尚在有效地控制。但是当系统深度“死机”的情况下，只有冷复位才能强行使整个电路回到通电前的状态，可以有效地解除逻辑死锁和硬件死锁。因此预装电池系统必须能够提供冷复位能力。

电池脱离：以机械开关物理上切断，或使用电子开关切断电池与设备间电源通路，均可称之为电池脱离。电池脱离的作用一方面可以使电池得以保持其电量，另一方面通过电池脱离和负载上的电容充分放电后再次接通实现冷复位。所以电池脱离是确保预装电池产品电量和实现冷复位功能的必要条件。预装电池系统的电池脱离都是通过电子开关实现的，电子开关及其控制电路自身一直与电池连接，因此其功耗必须足够低才能取得电池脱离的效果。

潜动:潜动意思是“似动非动”，原意指电表或水表，出现在无负荷或水流时表盘依然会转过或转回的现象。当一个具有有效电源电路的IO与一个电源被断开电路存在连接时，该IO会向无电源的电路提供一定能量。对于大多CMOS电路，由于其在低电源电压时表现为高阻，由IO漏过来能量虽不足以驱动其工作，但经过积累会不定期地使其尝试动作，发生潜动。预装电池系统要尽可能消除潜动的发生。

湿漏电：顾名思义，湿漏电即受潮后的漏电现象。具有弱偏置的逻辑端口，当漏电流与偏置电流在数量级上可比时可能影响端口的偏置状态。如果加大偏置电流固然可以抵抗更大的漏电，但大的偏置电流会导致驱动电路负载加大和过大的静态电流，这在便携设备中往往是不能接受的。在预期产品寿命较长、使用环境复杂的产品中，如手机、家用设备和便携仪器仪表中，其按键的抗湿漏电和电池关联部分的抗湿漏显得尤为重要。


寻找一颗合适的电子开关IC

以上的预装电池功能，都是通过电子开关电路实现的，因此我们可以看到，为预装电池系统寻找到一颗合适的电子开关IC十分必要。工程师可以在众多的开关器件中根据自己的需要进行筛选，不过一颗专门为预装和内置电池系统设计而优化的IC可以使你的工作事半功倍。

我们发现圣邦微电子最新推出的SGM4073就是这样一颗开关器件，它的逻辑控制端口具有抗潜动、抗湿漏电功能的冷复位、电池脱离。通过控制其逻辑输入端口的时序状态，可以实现电池掉电脱离和脱离后重启等动作。既可以支持手机类产品中广泛使用的按键下拉开关机设计，也可以支持其它以按键上拉的开关机设计。

为了解决湿漏电和误偏置潜动的问题，SGM4073采用了一些特殊的设计。圣邦微电子田怀山先生向我们介绍， SGM4073的逻辑控制端，采用特有的保持-改出型逻辑接口。保持-改出即在电压滞回型（即施密特触发器型）的基础上增加电流滞回，当需要从一个逻辑状态转换到另一个逻辑状态时需要外部驱动输入同时满足驱动电压和驱动电流的要求；一旦进入另外一个逻辑状态，即改出前一个逻辑状态，则需要相反的电压和电流才能再次改出。在这个结构中其内部偏置与外部逻辑驱动极性相同，保持相同逻辑状态时不引起额外耗电。SGM4073的内部上拉电压仅0.7V，即使所连接的其它电路电源被关掉，这个低电压偏置也不会导致其它电路潜动。在受潮漏电情况下，只有漏电流大于50uA才可能改出原始的逻辑状态。  
在比对了SGM4073和其他一些竞争性的产品后会发现，SGM4073根据用户的需要进行了特别的优化。如与之前在预装电池设计中应用比较多的FTL75939相比，除了在功能上完全兼容外，SGM4073的特异性还表现在：

1 SGM4073的逻辑端口不受后端负载系统的影响，且输出自动放电具有残压检测功能，放电完成后关闭放电通路；

2 FTL75939的逻辑控制仍然需要其它电路控制，并不能彻底地使负载系统脱离与电池的连接，而SGM4073可以实现；

3 在FTL75939关闭期间，输出放电功能一直打开，生产过程中如使用夹具直接在其输出端加电，会出现持续漏电问题，影响电流的测试，而SGM4073可避免这一问题。

总之，在可预装电池设计大行其道的今天，选择一颗“对”的电子开关器件可帮助你完善诸多设计细节，在用户体验方面为你的产品赢得更多的加分。

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