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詳細(xì)剖析可穿戴設(shè)備系統(tǒng)的電池充電安全問題

電子設(shè)計(jì) ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:佚名 ? 2018-01-11 08:29 ? 次閱讀
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物聯(lián)網(wǎng)將改善現(xiàn)代生活的幾乎各個(gè)方面。通過收集和分析大量數(shù)據(jù),物聯(lián)網(wǎng)可以幫助我們管理身體健康、減少在家居和工作場所的能源消耗、監(jiān)測和改善我們所在的環(huán)境等等。
物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用十分廣泛,但它們也有一些共同的重要特征。用于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備需要體積小、易于使用且?guī)缀蹼S時(shí)可供使用。這些要求可能在可穿戴設(shè)備上最為明顯,全世界有數(shù)以百萬計(jì)的人已經(jīng)在使用可穿戴設(shè)備來跟蹤活動、監(jiān)測身體指標(biāo)和改善健康。
為了收集所需的數(shù)據(jù),消費(fèi)者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此,它們必須小巧而舒適,并能長時(shí)間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也面臨相似的要求。
這產(chǎn)生了如何為這些設(shè)備供電的問題。理想的情況是,它們可以直接從所處的環(huán)境中獲得能量,這樣它們可以始終保持有電。雖然我們已經(jīng)在降低功耗和改善能量采集上取得了很大進(jìn)步,但距離實(shí)現(xiàn)理想還有一定差距。在可預(yù)見的未來,我們還需要依靠電池作為主要電源。特別是,為了最大限度減少由數(shù)十億設(shè)備造成的能源浪費(fèi),在未來一段時(shí)間,可充電電池應(yīng)該是首選電源。
可穿戴設(shè)備的自然選擇
可穿戴設(shè)備不僅尺寸很受限制,而且由于需要長期穿戴,舒適性很重要,因此它們還必須非常輕。所以電池就必須盡可能小。不僅如此,IDC和GMI進(jìn)行的反復(fù)研究表明,電池續(xù)航時(shí)間是消費(fèi)者購買電池供電式便捷產(chǎn)品的第一考慮因素。因此,高電池容量對產(chǎn)品獲得成功非常重要。
同時(shí)滿足這兩個(gè)要求使得電池面臨的挑戰(zhàn)更加艱巨。幸運(yùn)的是,鋰電池的許多特性使它們能夠克服這一挑戰(zhàn),從而成為可穿戴設(shè)備應(yīng)用的理想選擇。
首先,它們提供高能量密度,允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師選擇更小更輕的電池,而且能提供更長的工作時(shí)間。同時(shí),鋰電池的工作電壓通常為3.7 V,相比之下,鎳氫或鎳鎘電池只有1.2 V。這意味著鋰電池需要更少的電芯(cell),這也有助于實(shí)現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。另外,它們的自放電率也遠(yuǎn)低于基于鎳的電池,約為每月2%,而鎳氫和鎳鎘電池高達(dá)每天5%。這樣不僅能夠減少充電次數(shù),而且電池放置很長時(shí)間后也能隨時(shí)再次使用,從而使系統(tǒng)更加便于客戶使用。
當(dāng)然,所有技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)。例如,鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復(fù)雜,所以價(jià)格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品,規(guī)模經(jīng)濟(jì)和持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)正在快速降低其制造成本。
最近的頭條新聞也顯示,鋰離子電池具有更大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。由于使用易燃電解質(zhì),所以如果充電電壓過高或過低都有可能導(dǎo)致起火或爆炸。不過,大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)部保護(hù)電路,可以在一定程度上防止過壓或欠壓。但鋰離子電池的充電過程仍然比基于鎳的充電電池復(fù)雜的多。
鋰離子電池:實(shí)現(xiàn)舒適方便的可穿戴設(shè)備
· 小電池,長續(xù)航時(shí)間,高能量密度
· 更高工作電壓意味著更少的電芯和更小的系統(tǒng)
· 更慢的自放電:更少的充電次數(shù),隨時(shí)可供使用
充電挑戰(zhàn)
為避免這些安全問題,鋰離子電池需要恒流(CC)、恒壓(CV)的充電過程。在此過程中,電池首先以固定電流充電,直至達(dá)到設(shè)定電壓。然后,充電電路切換到恒壓模式,從而提供必要的電流,以維持設(shè)定電壓。
為了獲得最佳充電效果,必須對電流和電壓水平的選擇做出精心的權(quán)衡。以較高電壓充電可以增加電池容量,但電壓過高會造成電池受壓或過充,導(dǎo)致永久損害、不穩(wěn)定性和危險(xiǎn)。同樣,較高充電電流可以加快充電速度,但代價(jià)是減少電池容量:充電電流降低30%可以使電池儲存的電荷量增加10%之多。
因此,充電電流通常設(shè)置為電池容量(電池能持續(xù)供電一小時(shí)的最大電流)的一半,電壓設(shè)置為每個(gè)電芯4.2 V。不過事實(shí)證明,使用略小的充電電流及電壓可減緩電池老化,使其能夠以更高的蓄電量度過更多的充電循環(huán)。
確保安全
由于這一復(fù)雜性,充電解決方案必須能夠密切監(jiān)測充電電流和電壓,并提供穩(wěn)定的控制回路,使充電電流和電壓在充電循環(huán)的合適時(shí)點(diǎn)保持合適的值(亦即使電流在第一階段保持恒定,電壓在第二階段保持恒定)。
另外還需要按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)對充電解決方案進(jìn)行全面的測試。這些標(biāo)準(zhǔn)包含的測試條件比鎳基充電電池所需的更廣泛,同時(shí)還包括與電池本身相關(guān)的測試。
JEITA規(guī)范
日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(JETIA)制定了關(guān)于鋰離子電池使用和充電的規(guī)范。雖然該規(guī)范只是指導(dǎo)性規(guī)范,而非認(rèn)證機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為該規(guī)范有助于確保鋰離子電池的安全使用。
如圖1所示,JEITA規(guī)范定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)和位于二者之間的三個(gè)溫度區(qū)(低、中、高),以確保充電安全。


圖1:為保證鋰離子電池充電安全,JEITA規(guī)范規(guī)定的溫度區(qū)


規(guī)范規(guī)定了每個(gè)溫度區(qū)的最大安全電流。
· 高溫度區(qū):最大電流為電池容量的50%
· 標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū):最大電流為電池容量的70%
· 低溫度區(qū):最大電流為電池容量的60%
圖2顯示了這些安全電流和對應(yīng)的安全電壓區(qū)。


圖2:JEITA規(guī)范規(guī)定的鋰離子電池安全充電電流和電壓


使用DA1468x產(chǎn)品系列保證充電安全
可穿戴設(shè)備和許多其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸和重量非常受限制。為幫助確保電池充電安全,同時(shí)符合尺寸和重量要求,Dialog的SmartBond? DA1468x系列SoC(系統(tǒng)級芯片)集成了電源管理功能,再加上一些外部元件和連接的輔助,可完全滿足JEITA規(guī)范的要求。
該功能的核心是一種靈活的CC/CV充電算法。該算法支持200 ?A - 400 mA充電電流,可以對具有不同容量的電池充電。圖3顯示了如何將DA1468x SoC連接至電池來進(jìn)行充電。


圖3:采用DA14680或DA14681的鋰離子電池充電電路示例


該算法有四個(gè)不同的充電階段:預(yù)充、恒流、恒壓和電壓監(jiān)控。
充電周期
充電過程在檢測到輸入電壓后立即開始。如果電池電量嚴(yán)重?fù)p耗(例如電壓已低于3V),則充電算法會觸發(fā)預(yù)充階段,以低電流(約為電池容量的10%)為電池“預(yù)充電”,直至電池可以接受滿充電電流。這可以防止出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。
在電壓達(dá)到合適水平后,充電算法切換至恒流階段,以較高電流(可達(dá)到電池的容量)為電池充電,直至電壓達(dá)到4.2 V(標(biāo)準(zhǔn)值)。這時(shí)充電器進(jìn)入恒壓階段,以避免過充危險(xiǎn)。在此階段,電壓保持在4.2 V,而電流降低至電池容量的10%左右。從恒流階段過渡到恒壓階段是逐漸而且平滑地完成的,以免電池受損。
到這時(shí)電池已經(jīng)充滿。如果充滿后電池仍然處于連接狀態(tài),則充電器進(jìn)入電壓監(jiān)控階段,從而提供周期性的續(xù)充,以彌補(bǔ)由于電池自放電而產(chǎn)生的電量消耗。續(xù)充通常在電池開路電壓降至4.0 V以下時(shí)進(jìn)行。


圖4:Dialog DA14680和DA14681的充電周期


在這個(gè)基礎(chǔ)循環(huán)中,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)σ幌盗袇?shù)進(jìn)行調(diào)整,以定制充電過程。這些參數(shù)包括:
· 預(yù)充電流(應(yīng)設(shè)為10%[1]–亦即1mA - 15mA)
· 預(yù)充電壓Vpcv(應(yīng)設(shè)為3.05V)
· 預(yù)充定時(shí)器(默認(rèn)值= 15分鐘)
· 恒定充電電流Icc(應(yīng)設(shè)為70%1)
· 充電電壓Vfloat(范圍4.2 – 4.6V)
· 恒流(CC)定時(shí)器(默認(rèn)值 = 180分鐘)
· 恒壓(CV)定時(shí)器(默認(rèn)值 = 360分鐘)
內(nèi)置保護(hù)功能
為幫助確保安全,DA14680和DA14681提供了一系列內(nèi)置保護(hù)功能,以防止由非標(biāo)準(zhǔn)充電條件造成的問題,包括:
· 欠壓放電
· 過壓充電
· 過流充電
· 預(yù)充、恒流和恒壓階段超時(shí)
· 電池溫度低和高(帶有外部NTC和連接)
我們強(qiáng)烈建議電池提供針對過壓充電、欠壓放電和過流充(放)電的內(nèi)置保護(hù)功能,此外,電池還必須有內(nèi)置負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器,該傳感器應(yīng)當(dāng)連接至DA14680或DA14681的NTC引腳。該引腳還應(yīng)當(dāng)連接至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)輸入(如ADC5)。
安全、方便和可靠的可穿戴設(shè)備
可穿戴設(shè)備市場現(xiàn)在增長迅猛,并將在未來幾年繼續(xù)保持增長。系統(tǒng)功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進(jìn)展。但我們離可穿戴設(shè)備從其所在環(huán)境中獲取能量進(jìn)行充電的目標(biāo)還有很長的距離。因此,可穿戴設(shè)備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍然需要使用充電電池。
鋰離子電池體積小、重量輕、容量大,可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師滿足尺寸限制,同時(shí)提供使消費(fèi)者滿意的長電池續(xù)航時(shí)間。其較高工作電壓意味著需要的電芯更少,從而可以進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸和提高設(shè)計(jì)靈活性。
但這些電池需要更復(fù)雜的充電解決方案來確保安全和高效的充電。Dialog的DA1468x系列產(chǎn)品提供集成的電池管理功能,包括符合JEITA規(guī)范的充電算法和內(nèi)置保護(hù)功能。在單個(gè)芯片上提供所有這些功能可幫助進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸,同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性的最大化,并簡化設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)工程師因此能夠更快地設(shè)計(jì)出功耗豐富、舒適和外觀漂亮的可穿戴設(shè)備。

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