电池增强器 IC 可巧妙地延长无线应用中纽扣锂电池的使用寿命
发布日期:2024-03-14
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作者： Art Pini
物联网 (IoT) 加速了无线传感器的普及。无论是用于消费、医疗、工业还是农业，无线传感器都必须小巧轻便并具有长电池使用寿命。此外，这类设备在传输和接收模式期间，还会使电源承受间歇性高电流负载。例如，突发传输会消耗 100 mA 电流，而接收工作可消耗 10 mA 电流，其余更长时间则是工作在低电流睡眠模式下，电流消耗为 μA 级（图 1）。
图 1：典型无线设备的负载曲线，显示了传输和接收工作的短时高电流需求（传输：100 mA，接收：10 mA），以及更长时间的低电流睡眠工作模式。（图片来源：Nexperia，由作者修改）
传输或接收工作周期通常持续数十毫秒，而设备处于睡眠模式的时间通常为数百秒。尽管平均电流由于占空比小而较低，但高峰值电流会带来问题。
纽扣锂电池体积小且能量密度高，但提供超过 10 mA 的电流会显著缩短其使用寿命。这类电池还具有相对较高的内阻，在提供上述较大电流时效率低下。例如，新型纽扣电池的内阻约为 10 Ω。提供 100 mA 的电流会导致电池内阻上产生 1 V 的压降。在这种重负载下，电池的化学反应速率也会导致输出电压下降。此外，随着电池老化，内阻也会增加。一种可能的替代方案是使用碱性电池。碱性电池具有更高的额定峰值电流，但缺点是比纽扣电池大得多。
表 1：NBM5100/NBM7100 系列纽扣电池寿命增强器集成电路的特性。（表格来源：Art Pini）
电池增强器可延长纽扣电池的寿命
Nexperia 开发了一种巧妙的解决方案来支持纽扣电池。其纽扣电池寿命增强器集成电路 (IC) 系列将纽扣电池与 RF 电路的高电流需求隔离开来。这样做可以延长无线传感器应用中电池的使用寿命，从而实现更小、更轻的封装，同时具有出色的电池寿命。
这些增强器设计有两个 DC-DC 转换阶段。第一个转换阶段以低电流从纽扣电池汲取能量，为电容式储能元件充电，使其达到比电池更高的电压。储能电容器充电完毕后，第二个 DC-DC 转换器就会按需以调节输出电压向间歇性负载提供能量。纽扣电池永远不会受到外部负载所需的高电流影响，从而延长了电池的使用寿命。
借助这种方法，在具有高间歇性负载电流的应用中，电池寿命可以延长 4 至 10 倍，同时峰值输出电流可提高达 25 倍。这些器件分为两个系列，分别与二氧化锰锂 (LiMnO2) 或亚硫酰氯锂 (Li-SOCl2) 电池的特性相匹配（表 1）。
表 1：NBM5100/NBM7100 系列纽扣电池寿命增强器集成电路的特性。（表格来源：Art Pini）
这些电池增强器的内部结构相似（图 2）。
图 2：NBM5100A/B 和 NBM7100A/B 器件的框图，显示两者在功能上相似。（图片来源：Nexperia）
这些纽扣电池增强器的工作方式也相似（图 3）。
图 3：NBM5100/7100 在充电（右上图）和有源负载（右下图）周期的电压和电流状态曲线图。（图片来源：Nexperia）
电池增强器采用两个高能效 DC-DC 转换器来缓冲电池，使其免受短时高电流负载瞬变的影响。第一个转换阶段，在充电周期使用升压转换器。该周期在重负载电流周期之前启动。充电时，能量从电池转移到外部储能电容器，后者的电压 (VCAP) 高于电池电压。充电周期从电池汲取低的恒定电流 (IVBT)。由于其内阻，低充电电流会导致电池输出电压 (VVBT) 下降。电容器充电后，降压稳压器 DC-DC 转换器处理工作周期，将能量从储能电容器传输到输出 (VVDH)，从而以高达 90% 的效率在稳压下提供高负载电流 (IVDH)。
请注意，充电周期消耗的电池电流 (IVBT) 保持极低，而工作周期消耗的电池电流则可以忽略不计。这减少了电池的重复性压力，并扩大了电池的可用容量。当不处于充电或工作周期时，输出会降至静态或待机状态，消耗电流低于 50 nA。
该电池增强器 IC 采用自适应学习算法，可监控负载脉冲特性，并智能优化电容器的能量传输和储存。最多可保留 63 个负载配置文件以调整充电过程。
增强器工作模式
NBM5100/7100 器件以连续、按需和自动模式（仅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本）运行。连续模式用于需要对瞬态负载做出即时响应的应用。储能电容器充电，DC-DC 转换器空闲。储能电容器的电压受监控并根据需要刷新。收到工作命令后，储能电容器立即提供稳压输出。向负载提供所需的能量后，储能电容器重新充电。充满电后，设置就绪信号。
按需模式用于需要最长电池寿命的应用。该模式在待机状态下启动。按需模式利用 I/O 接口设置适当的位来启动。储能电容器在需要时充电，按照就绪信号的指示提供储存的能量。
自动模式使用启动信号来启动按需工作，而不使用 I/O 接口。就绪信号指示储能电容器已充满电且可用。
NBM5100/NBM7100 系列使用串行 I/O 接口进行控制。NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 器件使用 I2C 接口，而 NBM5100BBQX 和 NBM7100BBQX IC 配备 SPI 接口。
这些电池寿命延长器可监控充电周期数，并报告纽扣电池的剩余电量。这些器件通过串行接口提供的电量计寄存器报告电池充电状态。
NBM5100/NBM7100 系列纽扣电池寿命延长器采用 SOT763-1 (DHVQFN16) 16 引脚封装，工作温度范围为 -40 至 +85°C。
Nexperia 分别为 NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 提供了 NEVB-NBM5100A-01 和 NEVB-NBM7100A-01 评估板。使用这些评估板，可以快速方便地评估电池增强器。可以将它们连接至正在开发的电路板，并通过 USB 连接从 PC 使用图形用户界面 (GUI) 进行控制。
结语
NBM5100/NBM7100 电池增强器可以在具有高瞬态负载的无线 IoT 应用中延长纽扣锂电池的使用寿命，若无此类增强器，这些应用可能需要使用大很多的 AA 或 AAA 电池。因此，这些电池增强器是缩小设备尺寸并降低成本的绝佳方式。
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