鋰離子電池為儲(chǔ)能過(guò)剩供應(yīng)了有效的解決方法，滿(mǎn)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CymbetCorporation，LinearTechnology，MaximIntegrated，SeikoInstruments，STMicroelectronics和TexasInstruments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CymbetEnerChip系列等薄膜電池和FDKML系列，panasonicML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(xiàn)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)供應(yīng)準(zhǔn)備好的電源。

圖1：鋰離子薄膜和可充電電池為無(wú)線(xiàn)MCU供應(yīng)持續(xù)供電，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)MCU的需求，例如SiliconLabsEZRadiopRO無(wú)線(xiàn)MCU系列(由SiliconLabs供應(yīng))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，充電管理電路關(guān)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供應(yīng))。

充電管理解決方法

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(xiàn)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MaximIntegratedMAX6037，它們供應(yīng)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DiodesIncorporatedZXMN2F30FH或FairchildSemiconductorNDS8434)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供應(yīng)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(xiàn)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供應(yīng))。

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，并供應(yīng)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)外部電阻即可供應(yīng)完整的鋰離子電池管理解決方法(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550nA，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供應(yīng)完整的鋰離子電池管理解決方法(由LinearTechnology供應(yīng))。

在LTC4071中，假如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0.1nA。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)50mA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)解碼器供應(yīng)三個(gè)可編程浮動(dòng)電壓(4.0，4.1或4.2V)，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MaximIntegratedMAX1737和SeikoInstrumentsS-8261，供應(yīng)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)。關(guān)于MAX1737，MaximIntegrated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，供應(yīng)充電電流或電壓。

SeikoS-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(lèi)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)延遲按時(shí)器，以防止誤觸發(fā)。除了上述設(shè)備，工程師還可以找到具有廣泛功能并滿(mǎn)足各種功能和性能的鋰離子充電管理器件。要求。例如，CymbetCBC3105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。MaximIntegratedMAX8601和STMicroelectronicsL6924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)用的有效解決方法。采用這些專(zhuān)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(zhuān)門(mén)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MaximIntegratedMAX17710，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。TIBQ25504集成了高效DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，具有專(zhuān)門(mén)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：TIBQ25504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(德州儀器供應(yīng))。

MaximIntegratedMAX17710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。關(guān)于充電，該器件使用內(nèi)部線(xiàn)性穩(wěn)壓器將充電電壓維持在4.125V。假如充電電源超過(guò)4.15V，則器件開(kāi)始限制電流，假如充電電源超過(guò)5.3V，器件可以分流到50mA接地，以防止過(guò)壓操作。關(guān)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。假如單元過(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，或者假如已經(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)能夠供應(yīng)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)，假如以這種方式斷電，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)載供應(yīng)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(zhuān)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(zhuān)用能量收集設(shè)備中的電池充電和保護(hù)功能。