某手机在-20度环境下，只能读到电池温度为-18℃

某手机在-20度环境下，只能读到电池温度为-18℃
作者：AirCity 2020.3.1
[email protected] 本文所有权归作者Aircity所有

问题回顾

MSM8953平台手机在低温-20℃，从log读出电池温度为-14~-18℃不等，超出Spec给出的±3℃偏差。
电池有低温策略要求，在-20℃与-15℃环境下，对手机使用采用不同的限制策略：-15℃时，电量低于10%，禁止开闪光灯；-20℃时,电量小于50%，禁止开闪光灯（参考友商做法）。
要实现以上目的，手机必须能够分辨-15℃和-20℃。但实测发现，手机在-20℃检测到的电池温度偏差很大，已经大于5℃。
温度不准确带来的影响：锂离子电池充电需要符合JEITA规范，其在不同温度下，对充电电流和电压做不同的限制，以降低电池老化或者电池爆炸的风险。例如电池温度超过50℃，应立即停冲，否则电池有发生散热失控，进而爆炸的可能。电池温度检测不准确，手机无法准确按照JEITA规范进行有效限制。

问题分析

电池温度检测原理很简单，如下所示，R1为是上拉电阻，Rth是NTC电阻。NTC电阻随温度降低而增大，根据分压原理，BATT_THERM引脚电压随之增加，ADC获取电压，Fuel Gauge模块的ADC将此转换为温度。

上拉电压V_RBIAS为2.7V，来自于内部LDO，可以从VAA_CAP上测量到。此电压在PMI8952内部分出一路作为V_RBIAS，并串了一个开关，当需要读取温度时，开关打开，频率是1.47s（与电量计频率一致）。
上拉电阻R1值要求与NTC电阻在25℃时相等。所以整个温度检测电路，对硬件的要求只有两点：
1） NTC电阻选型
2） 滤波电容C1选型
软件要根据如上选型，配置Beta参数和Fuel Gauge的ADC采样延迟。据了解，很多手机型号都没做这样的设置。
针对NTC电阻和滤波电容C1，高通文档给出如下五种选择，高通回复，可以任选。

同时高通在Spec也给出了NTC的选型建议：

高通还推荐尽量选择Beta值小的NTC
主流厂家的NTC规格如下：

本项目选择了10K，对应Bate值为3380的Murata产品NCP03XH103F05RL，这个是业界常用值。电容C1为0.1uF。
针对不同的Bate值，高通要求写入不同的配置参数（C1,C2,C3），如下图（表格很长，只截取一段），这些参数会带入高通在Steinhart-Hart公式基础上优化的数学模型，Steinhart-Hart如下：

1985年Steinhart和Hart在海洋中研究温度测量时，发明的一种热敏电阻温度模型，被流行至今。
在高通自己的模型中，有了下表的几个参数，就能计算出温度值，但是高通不提供此模型，我们自己不能做理论计算。

对于Bate=3380. C1=86DA，C2=50F0，C3=3C08. 然而软件并没有将此值写入代码，使用的是默认值C1=0x86DB，C2=0x50F1，C3=0x3c11。这是引起温度检测不准确的原因之一。
本项目的电池温度检测电路，滤波电容C1=0.1uF，小于4.7uF最大值，符合要求。此容值越大，要求Fuel Gauge ADC采样延迟越大，最大不超过160ms，还有如下几种设置：

要求有延迟的原因是：采样周期是1.46s一次，先打开V_RBIAS，然后采样，结束后，关闭V_RBIAS。在打开V_RBIAS瞬间，电容的存在导致BATT_THERM上的电压比实际的分压要低，过一段时间才会上升到正常值。如果ADC无延迟，不等电压稳定，立即采样，必然不准确，如下图。软件没有设置这个延迟，默认是0. 这是引起温度不准确的原因之二。

可见在写入正确的Bate参数和延迟后，温度检测偏差减小，恢复到spec所述的±3℃以内。
从另一个角度理解这个Beta值的选择，Beta值越大，温度在-20℃时的阻值越大，NTC上的分压越大，当Beta=3380时，-20℃时，阻值为70.3K，上拉电阻10K，上拉电压为2.8V，分压后Vbat_therm=2.36V；ADC的输入范围是0-2.7x91.2%=2.462V。NTC上的分压在ADC输入范围内，没有问题，但是已经很接近。
虽然温度检测精度±3℃没问题了，但是发现温度还是检测不到-20℃。高通曾经发过一个issue，说明了这个问。上面已经说明Beta值与最低检测温度有对应关系，怀疑高通的ADC在低温下性能不好，又不好意思承认，只给了使用注意事项，但没告诉为什么。
从下面高通提供的曲线可以看出beta为3380的NTC，最低能检测约-18℃。