作者： Art Pini
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 加速了無(wú)線(xiàn)傳感器的普及。無(wú)論是用于消費、醫療、工業(yè)還是農業(yè)，無(wú)線(xiàn)傳感器都必須小巧輕便并具有長(cháng)電池使用壽命。此外，這類(lèi)設備在傳輸和接收模式期間，還會(huì )使電源承受間歇性高電流負載。例如，突發(fā)傳輸會(huì )消耗 100 mA 電流，而接收工作可消耗 10 mA 電流，其余更長(cháng)時(shí)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(wú)線(xiàn)設備的負載曲線(xiàn)，顯示了傳輸和接收工作的短時(shí)高電流需求（傳輸：100 mA，接收：10 mA），以及更長(cháng)時(shí)間的低電流睡眠工作模式。（圖片來(lái)源：Nexperia，由作者修改）
傳輸或接收工作周期通常持續數十毫秒，而設備處于睡眠模式的時(shí)間通常為數百秒。盡管平均電流由于占空比小而較低，但高峰值電流會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。
紐扣鋰電池體積小且能量密度高，但提供超過(guò) 10 mA 的電流會(huì )顯著(zhù)縮短其使用壽命。這類(lèi)電池還具有相對較高的內阻，在提供上述較大電流時(shí)效率低下。例如，新型紐扣電池的內阻約為 10 Ω。提供 100 mA 的電流會(huì )導致電池內阻上產(chǎn)生 1 V 的壓降。在這種重負載下，電池的化學(xué)反應速率也會(huì )導致輸出電壓下降。此外，隨著(zhù)電池老化，內阻也會(huì )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(diǎn)是比紐扣電池大得多。
電池增強器可延長(cháng)紐扣電池的壽命
Nexperia 開(kāi)發(fā)了一種巧妙的解決方案來(lái)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(kāi)來(lái)。這樣做可以延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器應用中電池的使用壽命，從而實(shí)現更小、更輕的封裝，同時(shí)具有出色的電池壽命。
這些增強器設計有兩個(gè) DC-DC 轉換階段。第一個(gè)轉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(gè) DC-DC 轉換器就會(huì )按需以調節輸出電壓向間歇性負載提供能量。紐扣電池永遠不會(huì )受到外部負載所需的高電流影響，從而延長(cháng)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(cháng) 4 至 10 倍，同時(shí)峰值輸出電流可提高達 25 倍。這些器件分為兩個(gè)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(lái)源：Art Pini）
這些電池增強器的內部結構相似（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(lái)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(xiàn)圖。（圖片來(lái)源：Nexperia）
電池增強器采用兩個(gè)高能效 DC-DC 轉換器來(lái)緩沖電池，使其免受短時(shí)高電流負載瞬變的影響。第一個(gè)轉換階段，在充電周期使用升壓轉換器。該周期在重負載電流周期之前啟動(dòng)。充電時(shí)，能量從電池轉移到外部?jì)δ茈娙萜�，后者的電�?(VCAP) 高于電池電壓。充電周期從電池汲取低的恒定電流 (IVBT)。由于其內阻，低充電電流會(huì )導致電池輸出電壓 (VVBT) 下降。電容器充電后，降壓穩壓器 DC-DC 轉換器處理工作周期，將能量從儲能電容器傳輸到輸出 (VVDH)，從而以高達 90% 的效率在穩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(shí)，輸出會(huì )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(xué)習算法，可監控負載脈沖特性，并智能優(yōu)化電容器的能量傳輸和儲存。最多可保留 63 個(gè)負載配置文件以調整充電過(guò)程。
增強器工作模式
NBM5100/7100 器件以連續、按需和自動(dòng)模式（僅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本）運行。連續模式用于需要對瞬態(tài)負載做出即時(shí)響應的應用。儲能電容器充電，DC-DC 轉換器空閑。儲能電容器的電壓受監控并根據需要刷新。收到工作命令后，儲能電容器立即提供穩壓輸出。向負載提供所需的能量后，儲能電容器重新充電。充滿(mǎn)電后，設置就緒信號。
按需模式用于需要最長(cháng)電池壽命的應用。該模式在待機狀態(tài)下啟動(dòng)。按需模式利用 I/O 接口設置適當的位來(lái)啟動(dòng)。儲能電容器在需要時(shí)充電，按照就緒信號的指示提供儲存的能量。
自動(dòng)模式使用啟動(dòng)信號來(lái)啟動(dòng)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(mǎn)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(cháng)器可監控充電周期數，并報告紐扣電池的剩余電量。這些器件通過(guò)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(cháng)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�？梢詫⑺鼈冞B接至正在開(kāi)發(fā)的電路板，并通過(guò) USB 連接從 PC 使用圖形用戶(hù)界面 (GUI) 進(jìn)行控制。
結語(yǔ)
NBM5100/NBM7100 電池增強器可以在具有高瞬態(tài)負載的無(wú)線(xiàn) IoT 應用中延長(cháng)紐扣鋰電池的使用壽命，若無(wú)此類(lèi)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。 |
