作者： Art Pini
物聯網 (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用于消費、醫療、工業還是農業，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數十毫秒，而設備處于睡眠模式的時間通常為數百秒。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，新型紐扣電池的內阻約為 10 Ω。提供 100 mA 的電流會導致電池內阻上產生 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 轉換階段。第一個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 DC-DC 轉換器就會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曲線圖。（圖片來源：Nexperia）
電池增強器采用兩個高能效 DC-DC 轉換器來緩沖電池，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。充電時，能量從電池轉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，輸出會降至靜態或待機狀態，消耗電流低于 50 nA。
該電池增強器 IC 采用自適應學習算法，可監控負載脈沖特性，并智能優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整充電過程。
增強器工作模式
NBM5100/7100 器件以連續、按需和自動模式（僅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本）運行。連續模式用于需要對瞬態負載做出即時響應的應用。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。該模式在待機狀態下啟動。按需模式利用 I/O 接口設置適當的位來啟動。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控充電周期數，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。
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。
結語
NBM5100/NBM7100 電池增強器可以在具有高瞬態負載的無線 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。 |
