電池增強(qiáng)器 IC 可巧妙地延長無線應(yīng)用中紐扣鋰電池的使用壽命
發(fā)布日期:2024-03-14
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作者： Art Pini
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用于消費(fèi)、醫(yī)療、工業(yè)還是農(nóng)業(yè)，無線傳感器都必須小巧輕便并具有長電池使用壽命。此外，這類設(shè)備在傳輸和接收模式期間，還會使電源承受間歇性高電流負(fù)載。例如，突發(fā)傳輸會消耗 100 mA 電流，而接收工作可消耗 10 mA 電流，其余更長時間則是工作在低電流睡眠模式下，電流消耗為 μA 級（圖 1）。
圖 1：典型無線設(shè)備的負(fù)載曲線，顯示了傳輸和接收工作的短時高電流需求（傳輸：100 mA，接收：10 mA），以及更長時間的低電流睡眠工作模式。（圖片來源：Nexperia，由作者修改）
傳輸或接收工作周期通常持續(xù)數(shù)十毫秒，而設(shè)備處于睡眠模式的時間通常為數(shù)百秒。盡管平均電流由于占空比小而較低，但高峰值電流會帶來問題。
紐扣鋰電池體積小且能量密度高，但提供超過 10 mA 的電流會顯著縮短其使用壽命。這類電池還具有相對較高的內(nèi)阻，在提供上述較大電流時效率低下。例如，新型紐扣電池的內(nèi)阻約為 10 Ω。提供 100 mA 的電流會導(dǎo)致電池內(nèi)阻上產(chǎn)生 1 V 的壓降。在這種重負(fù)載下，電池的化學(xué)反應(yīng)速率也會導(dǎo)致輸出電壓下降。此外，隨著電池老化，內(nèi)阻也會增加。一種可能的替代方案是使用堿性電池。堿性電池具有更高的額定峰值電流，但缺點是比紐扣電池大得多。
表 1：NBM5100/NBM7100 系列紐扣電池壽命增強(qiáng)器集成電路的特性。（表格來源：Art Pini）
電池增強(qiáng)器可延長紐扣電池的壽命
Nexperia 開發(fā)了一種巧妙的解決方案來支持紐扣電池。其紐扣電池壽命增強(qiáng)器集成電路 (IC) 系列將紐扣電池與 RF 電路的高電流需求隔離開來。這樣做可以延長無線傳感器應(yīng)用中電池的使用壽命，從而實現(xiàn)更小、更輕的封裝，同時具有出色的電池壽命。
這些增強(qiáng)器設(shè)計有兩個 DC-DC 轉(zhuǎn)換階段。第一個轉(zhuǎn)換階段以低電流從紐扣電池汲取能量，為電容式儲能元件充電，使其達(dá)到比電池更高的電壓。儲能電容器充電完畢后，第二個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器就會按需以調(diào)節(jié)輸出電壓向間歇性負(fù)載提供能量。紐扣電池永遠(yuǎn)不會受到外部負(fù)載所需的高電流影響，從而延長了電池的使用壽命。
借助這種方法，在具有高間歇性負(fù)載電流的應(yīng)用中，電池壽命可以延長 4 至 10 倍，同時峰值輸出電流可提高達(dá) 25 倍。這些器件分為兩個系列，分別與二氧化錳鋰 (LiMnO2) 或亞硫酰氯鋰 (Li-SOCl2) 電池的特性相匹配（表 1）。
表 1：NBM5100/NBM7100 系列紐扣電池壽命增強(qiáng)器集成電路的特性。（表格來源：Art Pini）
這些電池增強(qiáng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似（圖 2）。
圖 2：NBM5100A/B 和 NBM7100A/B 器件的框圖，顯示兩者在功能上相似。（圖片來源：Nexperia）
這些紐扣電池增強(qiáng)器的工作方式也相似（圖 3）。
圖 3：NBM5100/7100 在充電（右上圖）和有源負(fù)載（右下圖）周期的電壓和電流狀態(tài)曲線圖。（圖片來源：Nexperia）
電池增強(qiáng)器采用兩個高能效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來緩沖電池，使其免受短時高電流負(fù)載瞬變的影響。第一個轉(zhuǎn)換階段，在充電周期使用升壓轉(zhuǎn)換器。該周期在重負(fù)載電流周期之前啟動。充電時，能量從電池轉(zhuǎn)移到外部儲能電容器，后者的電壓 (VCAP) 高于電池電壓。充電周期從電池汲取低的恒定電流 (IVBT)。由于其內(nèi)阻，低充電電流會導(dǎo)致電池輸出電壓 (VVBT) 下降。電容器充電后，降壓穩(wěn)壓器 DC-DC 轉(zhuǎn)換器處理工作周期，將能量從儲能電容器傳輸?shù)捷敵?(VVDH)，從而以高達(dá) 90% 的效率在穩(wěn)壓下提供高負(fù)載電流 (IVDH)。
請注意，充電周期消耗的電池電流 (IVBT) 保持極低，而工作周期消耗的電池電流則可以忽略不計。這減少了電池的重復(fù)性壓力，并擴(kuò)大了電池的可用容量。當(dāng)不處于充電或工作周期時，輸出會降至靜態(tài)或待機(jī)狀態(tài)，消耗電流低于 50 nA。
該電池增強(qiáng)器 IC 采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，可監(jiān)控負(fù)載脈沖特性，并智能優(yōu)化電容器的能量傳輸和儲存。最多可保留 63 個負(fù)載配置文件以調(diào)整充電過程。
增強(qiáng)器工作模式
NBM5100/7100 器件以連續(xù)、按需和自動模式（僅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本）運(yùn)行。連續(xù)模式用于需要對瞬態(tài)負(fù)載做出即時響應(yīng)的應(yīng)用。儲能電容器充電，DC-DC 轉(zhuǎn)換器空閑。儲能電容器的電壓受監(jiān)控并根據(jù)需要刷新。收到工作命令后，儲能電容器立即提供穩(wěn)壓輸出。向負(fù)載提供所需的能量后，儲能電容器重新充電。充滿電后，設(shè)置就緒信號。
按需模式用于需要最長電池壽命的應(yīng)用。該模式在待機(jī)狀態(tài)下啟動。按需模式利用 I/O 接口設(shè)置適當(dāng)?shù)奈粊韱印δ茈娙萜髟谛枰獣r充電，按照就緒信號的指示提供儲存的能量。
自動模式使用啟動信號來啟動按需工作，而不使用 I/O 接口。就緒信號指示儲能電容器已充滿電且可用。
NBM5100/NBM7100 系列使用串行 I/O 接口進(jìn)行控制。NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 器件使用 I2C 接口，而 NBM5100BBQX 和 NBM7100BBQX IC 配備 SPI 接口。
這些電池壽命延長器可監(jiān)控充電周期數(shù)，并報告紐扣電池的剩余電量。這些器件通過串行接口提供的電量計寄存器報告電池充電狀態(tài)。
NBM5100/NBM7100 系列紐扣電池壽命延長器采用 SOT763-1 (DHVQFN16) 16 引腳封裝，工作溫度范圍為 -40 至 +85°C。
Nexperia 分別為 NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 提供了 NEVB-NBM5100A-01 和 NEVB-NBM7100A-01 評估板。使用這些評估板，可以快速方便地評估電池增強(qiáng)器。可以將它們連接至正在開發(fā)的電路板，并通過 USB 連接從 PC 使用圖形用戶界面 (GUI) 進(jìn)行控制。
結(jié)語
NBM5100/NBM7100 電池增強(qiáng)器可以在具有高瞬態(tài)負(fù)載的無線 IoT 應(yīng)用中延長紐扣鋰電池的使用壽命，若無此類增強(qiáng)器，這些應(yīng)用可能需要使用大很多的 AA 或 AAA 電池。因此，這些電池增強(qiáng)器是縮小設(shè)備尺寸并降低成本的絕佳方式。
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