【導讀】物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用于消費、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)。
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用于消費、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:典型無線設備的負載曲線,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 的電流會導致電池內(nèi)阻上產(chǎn)生 1 V 的壓降。在這種重負載下,電池的化學反應速率也會導致輸出電壓下降。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。
電池增強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。
這些增強器設計有兩個 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載提供能量。紐扣電池永遠不會受到外部負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,在具有高間歇性負載電流的應用中,電池壽命可以延長 4 至 10 倍,同時峰值輸出電流可提高達 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器集成電路的特性。(表格來源:Art Pini)
這些電池增強器的內(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 90% 的效率在穩(wěn)壓下提供高負載電流 (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性壓力,并擴大了電池的可用容量。當不處于充電或工作周期時,輸出會降至靜態(tài)或待機狀態(tài),消耗電流低于 50 nA。
該電池增強器 IC 采用自適應學習算法,可監(jiān)控負載脈沖特性,并智能優(yōu)化電容器的能量傳輸和儲存。最多可保留 63 個負載配置文件以調(diào)整充電過程。
增強器工作模式
NBM5100/7100 器件以連續(xù)、按需和自動模式(僅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本)運行。連續(xù)模式用于需要對瞬態(tài)負載做出即時響應的應用。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。向負載提供所需的能量后,儲能電容器重新充電。充滿電后,設置就緒信號。
按需模式用于需要最長電池壽命的應用。該模式在待機狀態(tài)下啟動。按需模式利用 I/O 接口設置適當?shù)奈粊韱?。儲能電容器在需要時充電,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) 進行控制。
結(jié)語
NBM5100/NBM7100 電池增強器可以在具有高瞬態(tài)負載的無線 IoT 應用中延長紐扣鋰電池的使用壽命,若無此類增強器,這些應用可能需要使用大很多的 AA 或 AAA 電池。因此,這些電池增強器是縮小設備尺寸并降低成本的絕佳方式。
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