IC簡(jiǎn)化備用電源的能量收集設(shè)計(jì)

在環(huán)境能源電力需求或偶爾的波動(dòng)周期峰值可以離開(kāi)餓死權(quán)力毫無(wú)預(yù)兆能源采集電路。單節(jié)鋰離子電池可提供電源的方便水庫(kù)，但需要小心控制充電和放電周期。為了實(shí)現(xiàn)能量采集設(shè)計(jì)備用電源，工程師可以通過(guò)多種電源管理IC(PMIC)和能量采集裝置的供應(yīng)商，包括ADI公司，凌力爾特，美信集成和德州儀器等等找到現(xiàn)成的解決方案。

單節(jié)鋰離子電池可提供生存環(huán)境，能源或周期性增長(zhǎng)的電力需求的偶爾的損失需要有足夠的能量?jī)?chǔ)存平順的動(dòng)力波動(dòng)。與此同時(shí)，管理不當(dāng)，這些細(xì)胞可導(dǎo)致內(nèi)部失衡，最終將降低能量存儲(chǔ)容量，甚至不可逆地?fù)p害細(xì)胞本身。

充電/放電循環(huán)

可充電鋰離子電池依靠在陽(yáng)極和陰極之間的鋰離子的過(guò)程中放電和充電循環(huán)(圖1)的遷移。如果電池放電低于其推薦的最小電壓，鋰能板塊的陰極，甚至導(dǎo)致內(nèi)部短路。如果一個(gè)小區(qū)變得過(guò)充電，鋰可類(lèi)似地沉淀在陽(yáng)極和創(chuàng)建的內(nèi)部短路，如果過(guò)充電繼續(xù)。

鋰離子電池放電(左)和電池充電的圖像(右)

圖1：如果鋰離子電池放電(左)低于最低電壓，鋰可以收集在陰極和創(chuàng)建的內(nèi)部短路;如果小區(qū)電荷(右)超過(guò)最大電壓，在陽(yáng)極上鋰集合可以類(lèi)似導(dǎo)致短路。 (索尼提供)

為保證正常的運(yùn)行，最大容量和擴(kuò)展的壽命，電池制造商提供了嚴(yán)格的規(guī)范對(duì)安全的充電和放電他們的產(chǎn)品的過(guò)程。的最大速率充電和放電電流被定義相對(duì)于電池容量，表示為C單元。因此，例如，經(jīng)受其1℃放電速率的電池將名義上從滿充電走在一小時(shí)內(nèi)排空。

該過(guò)程對(duì)于充電鋰離子電池如下的特性信息，第一使用1℃的恒定電流，使一個(gè)細(xì)胞到其目標(biāo)電壓，然后施加一個(gè)恒定電壓源，直到電池達(dá)到其最大充電狀態(tài)。恒定電流和恒定電壓模式之間的切換通常必須嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)保持。對(duì)于嚴(yán)重枯竭細(xì)胞中，這種特性充電過(guò)程之前通常與使用的較低的電流，例如0.1℃使細(xì)胞正常的最小值。

而商業(yè)的多節(jié)鋰離子電池組的集成保護(hù)電路出售，單節(jié)鋰離子電池，如FDK ML621，精工電子MS412FE，還是松下ML1220要求設(shè)計(jì)者建立適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)機(jī)制。隨著專(zhuān)用的鋰離子充電管理IC，適用能源采集芯片的可用性，工程師有機(jī)會(huì)獲得廣泛的能解決鋰離子電池要求的設(shè)備。

鋰離子電池管理IC

鋰離子電池管理IC的設(shè)計(jì)，用于監(jiān)視電池的電壓，并且結(jié)束充電，如果電池電壓超過(guò)一個(gè)預(yù)置值。在放電過(guò)程中，這些裝置被設(shè)計(jì)成從負(fù)載隔離的小區(qū)時(shí)電池電壓低于預(yù)先設(shè)定的值。

目的是提供一個(gè)集成的解決方案，以鋰離子電池的管理，如凌特LTC4071和德州儀器BQ24210設(shè)備通?？梢院苋菀淄哆M(jìn)的設(shè)計(jì)，需要一些額外的組件，以支持鋰離子電池的需求。例如，所述的凌力爾特LTC4071只需要一個(gè)外部電阻以提供完整的鋰離子電池充電的溶液(圖2)。

凌力爾特LTC4071圖片

圖2：鋰離子電池管理芯片，如凌力爾特LTC4071電池充電器IC提供用于保護(hù)鋰離子電池的過(guò)充電和過(guò)放電一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。 (凌力爾特公司提供)

線性設(shè)計(jì)LTC4071以鋰離子電池的那種低電流或經(jīng)常與周?chē)?strong>能量收集相關(guān)的間歇性充電源充電。該器件提供了一個(gè)低電池?cái)嚅_(kāi)功能，消耗小于0.1 nA的，同時(shí)也保護(hù)了鋰離子電池的潛在的破壞性過(guò)放電。同樣，TI BQ24210只需要幾個(gè)外部電阻，同時(shí)提供一套廣泛的電池管理功能，包括電池檢測(cè)，預(yù)充的大量耗盡的電池，快速充電，充電終止，電池溫度監(jiān)測(cè)等。

組合功能

除了專(zhuān)用的鋰離子電池管理器件，如線性LTC4071和TI BQ24210，工程師們可以找到專(zhuān)門(mén)的芯片，結(jié)合能量收集功能與鋰離子電池管理功能。例如，美信集成MAX17710被設(shè)計(jì)從各種低功率源，同時(shí)保持所需的細(xì)胞的充放電電壓，以獲取能量。片內(nèi)升壓轉(zhuǎn)換器可以充電的來(lái)源低至750 mV的鋰離子電池，而一個(gè)單獨(dú)的輸出調(diào)節(jié)器包括內(nèi)部電壓保護(hù)功能，阻止細(xì)胞過(guò)度放電。

德克薩斯儀器BQ25570還采用了內(nèi)置式增壓器，同時(shí)從微瓦級(jí)的周?chē)膩?lái)源收獲能源的外部鋰離子電池充電。其片上的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器有助于優(yōu)化能源資源的輸出功率，同時(shí)其電池管理功能，防止過(guò)充鋰離子電池和過(guò)放電。在操作過(guò)程中，該裝置斷開(kāi)與負(fù)載的小區(qū)時(shí)細(xì)胞輸出低于1.95五預(yù)設(shè)欠壓閾值如果單元充電電壓達(dá)到與外部電阻編程的過(guò)電壓閾值，則設(shè)備禁止片上升壓充電器。此外，該裝置提供一個(gè)可編程的“電源良好”信號(hào)，經(jīng)營(yíng)獨(dú)立的欠壓和過(guò)壓閾值特征的信號(hào)的應(yīng)用時(shí)，該設(shè)備的輸出電壓工作在可接受的水平。

設(shè)備，如凌特LTC3331和ADI公司ADP5090結(jié)合能量收集功能與特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，支持電源備份需求。例如，線性LTC3331集成了一個(gè)單獨(dú)的電源路徑，使操作從備份鋰離子電池時(shí)從環(huán)境來(lái)源能量低于所要求的水平的完整能量采集電源。在操作過(guò)程中，當(dāng)足夠的采集的能量可用，則設(shè)備禁止降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器供電的電池，降低細(xì)胞功耗220 nA的。此外，該器件采用過(guò)量采集的能量進(jìn)行充電，其集成的電流并聯(lián)電池充電器鋰離子電池。當(dāng)所采集的能量低于最小值，該裝置將其輸出切換到小區(qū)驅(qū)動(dòng)降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器，以允許從鋰離子電池的負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)作。該LTC3331包括一個(gè)低電池?cái)嚅_(kāi)功能，旨在防止過(guò)度放電通過(guò)斷開(kāi)電池以一個(gè)可編程的閾值電壓。

ADI公司的ADP5090是一種能量收集IC集成了升壓調(diào)節(jié)器，片上MPPT功能，以及備份電源管理。事實(shí)上，隨著從收獲的能量源的功率，該ADP5090可以將電力提供給從備用電源使用一次電池的負(fù)載，如熟悉CR2032或使用可再充電電池，如那些上述(圖3)中提到。

ADI公司ADP5090圖片

圖3：雖然一些能量采集IC包括鋰離子電池的管理，ADI公司的ADP5090提供了與這兩個(gè)可充電電池(BAT引腳)和原電池(BACK_UP引腳)支持電源備份一個(gè)附加選項(xiàng)，如CR2032 。 (ADI公司提供)

該ADP5090的集成功率路徑管理控制裝置自動(dòng)切換從能量采集，一次電池，或根據(jù)需要可再充電電池的電源。當(dāng)足夠的采集的能量可用，則ADP5090使用該供電負(fù)載和充電二次電池。而二次電池的充電用其升壓調(diào)節(jié)器，ADP5090監(jiān)視電池電壓，當(dāng)電壓達(dá)到可編程充電終止電壓時(shí)，設(shè)備終止通過(guò)禁用升壓調(diào)節(jié)器充電。如果所采集的能量低于要求的水平，該裝置禁用升壓轉(zhuǎn)換器和輔助小區(qū)連接到負(fù)載。如果電池電壓低于可編程放電保護(hù)閾值電平，該設(shè)備斷開(kāi)電池。如果這兩個(gè)單元的電壓和收獲的能量輸出下降低于所需的水平，該ADP5090可以驅(qū)動(dòng)從備份主電池的負(fù)荷。

結(jié)論

鋰離子電池提供用于在在常溫能源波動(dòng)滿足峰值功率需求或確保操作方便的解決方案。盡管如此，這些細(xì)胞需要小心控制用單元電壓和電流，以避免造成不可挽回的損失。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工程師們可以設(shè)計(jì)與集成的能量收集功能，這些功能專(zhuān)用的鋰離子電池管理功能或?qū)ｉT(mén)IC芯片的優(yōu)勢(shì)。利用這些設(shè)備，工程師可以增強(qiáng)他們的設(shè)計(jì)與鋰離子電池備用電源用最少的附加組件。