如何簡(jiǎn)化鋰離子儲(chǔ)能設(shè)備在能量采集設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鋰離子電池為儲(chǔ)能過(guò)剩提供了有效的解決方案，滿足了能量收集應(yīng)用中的峰值功率要求。然而，保持電池健康需要在充電和放電操作期間仔細(xì)注意電壓水平。通過(guò)使用包括Cymbet Corporation，Linear Technology，Maxim Integrated，Seiko Instruments，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商在內(nèi)的合適IC，工程師可以簡(jiǎn)化鋰離子儲(chǔ)能設(shè)備在能量采集設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。存儲(chǔ)設(shè)備仍然是能量收集應(yīng)用的重要組成部分，必須應(yīng)對(duì)波動(dòng)能量的波動(dòng)。在典型的能量采集設(shè)計(jì)(圖1)中，負(fù)載電路從鋰離子存儲(chǔ)設(shè)備獲得額外功率，包括Cymbet EnerChip系列等薄膜電池和FDK ML系列，Panasonic ML和VL系列等可充電紐扣電池和精工儀器MS系列。通過(guò)在低功耗期間存儲(chǔ)多余的能量，可充電設(shè)備在低環(huán)境能量期間或當(dāng)由于大量MCU活動(dòng)，周期性無(wú)線傳輸和其他功率密集型系統(tǒng)狀態(tài)導(dǎo)致功率需求達(dá)到峰值時(shí)提供準(zhǔn)備好的電源。

圖1：鋰離子薄膜和可充電電池為無(wú)線MCU提供持續(xù)供電，滿足無(wú)線MCU的需求，例如Silicon Labs EZRadioPRO無(wú)線MCU系列(由Silicon Labs提供)這些基于鋰離子的存儲(chǔ)設(shè)備的健康和效率取決于在狹窄的窗口內(nèi)嚴(yán)格維持充電電壓(圖2)。工作范圍之外的電壓可能導(dǎo)致電池劣化。實(shí)際上，即使接近安全工作范圍極限的充電電壓也可能導(dǎo)致電池容量的最終損失(圖3)。因此，充電管理電路對(duì)于確保這些存儲(chǔ)設(shè)備的最佳輸出和壽命至關(guān)重要。圖2：鋰離子電池需要在較窄的工作范圍內(nèi)使用充電電壓(禮貌松下)。

圖3：即使在鋰離子電池的安全工作范圍內(nèi)，接近該范圍極限的充電電壓也會(huì)導(dǎo)致容量隨時(shí)間的流失(圖片由Cymbet提供)。

充電管理解決方案

Li-ion電池管理電路通常依靠恒壓源來(lái)維持最佳充電電壓，并且負(fù)載斷開(kāi)電路以防止鋰離子電池的過(guò)放電。雖然鋰離子電池可以使用恒流和恒壓充電的組合，但鋰離子電池制造商通常建議使用恒壓充電。因此，合適的充電電路可以簡(jiǎn)單地包括線性穩(wěn)壓器和二極管，以防止反向放電(圖4)。

電路設(shè)計(jì)人員有許多選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載斷開(kāi)功能。設(shè)計(jì)人員可以將電池輸出與低功耗電壓參考源進(jìn)行比較，例如德州儀器LM4051和Maxim Integrated MAX6037，它們提供鋰離子工作范圍內(nèi)的輸出電壓。當(dāng)電池電壓低于參考電壓時(shí)，電路可以使用FET開(kāi)關(guān)(如Diodes Incorporated ZXMN2F30FH或Fairchild Semiconductor NDS8434)將電池與負(fù)載斷開(kāi)。同樣，工程師可以使用由許多穩(wěn)壓器IC提供的電源良好信號(hào)和欠壓鎖定(UVLO)信號(hào)來(lái)控制負(fù)載斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

圖4：最簡(jiǎn)單的充電電路鋰離子電池包括一個(gè)線性穩(wěn)壓器，用于維持適當(dāng)?shù)某潆婋妷?，二極管具有極低的反向偏置泄漏，以防止電池通過(guò)電源放電(圖片由Cymbet提供)。

鋰離子充電管理IC集成管理鋰離子電池所需的關(guān)鍵充電和保護(hù)電路，并提供優(yōu)化電池輸出和壽命所需的廣泛功能。例如，凌力爾特公司的LTC4071只需一個(gè)外部電阻即可提供完整的鋰離子電池管理解決方案(圖5)。當(dāng)輸入電源被移除且電池電壓低于高電池輸出閾值時(shí)，LTC4071的電池消耗僅為550 nA，從而降低了功率受限能量收集應(yīng)用中的功耗要求。

圖5：鋰離子電池管理IC，如凌力爾特公司的LTC4071，集成了充電和保護(hù)電路，只需極少的額外元件即可提供完整的鋰離子電池管理解決方案(由Linear Technology提供)。

在LTC4071中，如果外部鋰離子電池電壓低于工程師設(shè)置的低電池?cái)嚅_(kāi)(VLBD)電壓電平，則內(nèi)部PFET(MP1)將電池與VCC斷開(kāi)，從而保護(hù)電池免受負(fù)載過(guò)度放電連接到VCC或甚至連接到LTC4071自身的靜態(tài)電流。在斷開(kāi)模式下，即使在工作溫度范圍的高端，電池漏電流也低于0.1 nA。為了保護(hù)外部鋰離子電池免于過(guò)充電，LTC4071通過(guò)分流高達(dá)50 mA的電流來(lái)降低充電電流當(dāng)電池電壓接近浮動(dòng)電壓時(shí)，遠(yuǎn)離電池。雖然它使用集成的三級(jí)解碼器提供三個(gè)可編程浮動(dòng)電壓(4.0，4.1或4.2 V)，但LTC4071使用NTC熱敏電阻來(lái)檢測(cè)高溫并自動(dòng)降低電池浮動(dòng)電壓。

廣泛的功能》其他器件，如Maxim Integrated MAX1737和Seiko Instruments S-8261，提供用于控制外部FET器件柵極的輸出，用作充電電流源或截止開(kāi)關(guān)。對(duì)于MAX1737，Maxim Integrated設(shè)計(jì)的部件使用外部雙N溝道MOSFET作為開(kāi)關(guān)和同步穩(wěn)壓器，提供充電電流或電壓。

Seiko S-8261使用獨(dú)立的外部FET進(jìn)行過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)。這里，當(dāng)外部鋰離子電池電壓超過(guò)規(guī)定的過(guò)充電檢測(cè)電壓電平時(shí)，器件關(guān)閉充電控制FET以停止充電。類似地，當(dāng)電池電壓低于規(guī)定的過(guò)放電檢測(cè)電壓時(shí)，器件關(guān)閉放電控制FET。 S-8261針對(duì)每種情況使用檢測(cè)延遲定時(shí)器，以避免誤觸發(fā)。除了上述設(shè)備，工程師還可以找到具有廣泛功能并滿足各種功能和性能的鋰離子充電管理器件。要求。例如，Cymbet CBC3105在單個(gè)集成設(shè)備中結(jié)合了薄膜能量存儲(chǔ)和片上電源管理功能。 Maxim Integrated MAX8601和STMicroelectronics L6924和L6924D等其他器件具有先進(jìn)的電源管理功能，旨在支持USB端口充電源，但仍可作為功率限制能量收集應(yīng)用的有效解決方案。采用這些專用的鋰離子電荷管理器件用于能量收集應(yīng)用，工程師可以使用專門的能量采集IC，這些IC也支持鋰離子電荷管理和保護(hù)。高度集成的IC，如德州儀器BQ25504和Maxim Integrated MAX17710，通過(guò)鋰離子電荷管理所需的全套功能擴(kuò)展了其集成的能量收集功能。 TI BQ25504集成了高效DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，具有專門的能量收集功能，如最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，可優(yōu)化環(huán)境能源的功率輸出。此外，該器件還支持電池充電和保護(hù)，具有用于欠壓和過(guò)壓保護(hù)的可編程閾值(圖6)。

圖6：TI BQ25504具有三個(gè)可編程閾值電壓輸出，可以用于發(fā)出欠壓，過(guò)壓和良好電壓信號(hào) - 這里顯示典型太陽(yáng)能應(yīng)用的電壓閾值設(shè)置(德州儀器提供)。

Maxim Integrated MAX17710設(shè)計(jì)用于各種環(huán)境能源，并集成了獨(dú)立功能，可通過(guò)過(guò)充電保護(hù)為外部電池充電，并通過(guò)過(guò)放電保護(hù)調(diào)節(jié)電池輸出。對(duì)于充電，該器件使用內(nèi)部線性穩(wěn)壓器將充電電壓維持在4.125 V。如果充電電源超過(guò)4.15 V，則器件開(kāi)始限制電流，如果充電電源超過(guò)5.3 V，器件可以分流到50 mA接地，以避免過(guò)壓操作。對(duì)于輸出，MAX17710使用內(nèi)部低壓差(LDO)穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)電池輸出電壓。如果單元過(guò)放電，UVLO電路會(huì)在LDO穩(wěn)壓器工作時(shí)禁用LDO穩(wěn)壓器，或者如果已經(jīng)禁止則會(huì)阻止LDO穩(wěn)壓器啟動(dòng)。

MAX17710解決了環(huán)境源和鋰離子時(shí)環(huán)境能量水平都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰的情況。存儲(chǔ)能夠提供足夠的電力來(lái)維持對(duì)負(fù)載的支持。在這種情況下，能量收集電路可以進(jìn)入電力系統(tǒng)不斷嘗試支持負(fù)載但崩潰的狀態(tài) - 僅重復(fù)嘗試并反復(fù)失敗。使用MAX17710時(shí)，如果以這種方式斷電，器件會(huì)禁用負(fù)載輸出，以防止無(wú)用的負(fù)載重啟嘗試，并保護(hù)單元免于過(guò)度放電。器件保持禁用狀態(tài)，直到它檢測(cè)到已將指定電壓電平的電源連接到系統(tǒng)。

結(jié)論

可充電鋰離子電池可為峰值負(fù)載提供電源，并且當(dāng)環(huán)境源的能量輸出低于此值時(shí)有用的水平。但是，為了最大限度地延長(zhǎng)電池壽命和輸出，工程師需要確保電池電壓水平保持在狹窄限定范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)人員可以使用專用的充電管理IC輕松地集成鋰離子電池管理功能，或者依靠集成在專用能量收集設(shè)備中的電池充電和保護(hù)功能。