可穿戴設備和其他小型系統的電池充電安全

作者/Kanji Kerai Dialog公司

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)將改善現代生活的幾乎各個(gè)方面。通過(guò)收集和分析大量數據，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(chǎng)所的能源消耗、監測和改善我們所在的環(huán)境等。

　　物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用十分廣泛，但它們也有一些共同的重要特征。用于收集數據的設備需要體積小、易于使用且幾乎隨時(shí)可供使用。這些要求可能在可穿戴設備上最為明顯，全世界有數以百萬(wàn)計的人已經(jīng)在使用可穿戴設備來(lái)跟蹤活動(dòng)、監測身體指標和改善健康。

　　為了收集所需的數據，消費者必須將可穿戴設備持續戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長(cháng)時(shí)間連續工作。智能家居傳感器節點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應用也面臨相似的要求。

　　這產(chǎn)生了如何為這些設備供電的問(wèn)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)現理想還有一定差距。在可預見(jiàn)的未來(lái)，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十億設備造成的能源浪費，在未來(lái)一段時(shí)間，可充電電池應該是首選電源。

　　1可穿戴設備的自然選擇

　　可穿戴設備不僅尺寸很受限制，而且由于需要長(cháng)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)行的反復研究表明，電池續航時(shí)間是消費者購買(mǎi)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(mǎn)足這兩個(gè)要求使得電池面臨的挑戰更加艱巨。幸運的是，鋰電池的許多特性使它們能夠克服這一挑戰，從而成為可穿戴設備應用的理想選擇。

　　首先，它們提供高能量密度，允許系統設計工程師選擇更小更輕的電池，而且能提供更長(cháng)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(zhù)鋰電池需要更少的電芯(cell)，這也有助于實(shí)現更小更輕的系統。另外，它們的自放電率也遠低于基于鎳的電池，約為每月2%，而鎳氫和鎳鎘電池高達每天5%。這樣不僅能夠減少充電次數，而且電池放置很長(cháng)時(shí)間后也能隨時(shí)再次使用，從而使系統更加便于客戶(hù)使用。

　　當然，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雜，所以?xún)r(jià)格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規模經(jīng)濟和持續的技術(shù)改進(jìn)正在快速降低其制造成本。

　　鋰離子電池的潛在安全風(fēng)險日益凸顯。由于使用易燃電解質(zhì)，所以如果充電電壓過(guò)高或過(guò)低都有可能導致起火或爆炸。不過(guò)，大多數鋰離子電池都有內部保護電路，可以在一定程度上防止過(guò)壓或欠壓。但鋰離子電池的充電過(guò)程仍然比基于鎳的充電電池復雜的多。

　　鋰離子電池：實(shí)現舒適方便的可穿戴設備優(yōu)勢有：

　　· 小電池，長(cháng)續航時(shí)間，高能量密度;

　　· 更高工作電壓意味著(zhù)更少的電芯和更小的系統;

　　· 更慢的自放電：更少的充電次數，隨時(shí)可供使用。

　　2充電挑戰

　　為避免這些安全問(wèn)題，鋰離子電池需要恒流(CC)、恒壓(CV)的充電過(guò)程。在此過(guò)程中，電池首先以固定電流充電，直至達到設定電壓。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衡。以較高電壓充電可以增加電池容量，但電壓過(guò)高會(huì )造成電池受壓或過(guò)充，導致永久損害、不穩定性和危險。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，充電電流通常設置為電池容量(電池能持續供電一小時(shí)的最大電流)的一半，電壓設置為每個(gè)電芯4.2 V。不過(guò)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(guò)更多的充電循環(huán)。

　　3確保安全

　　由于這一復雜性，充電解決方案必須能夠密切監測充電電流和電壓，并提供穩定的控制回路，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)。

　　另外還需要按照嚴格的標準對充電解決方案進(jìn)行全面的測試。這些標準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。

　　4JEITA規范

　　日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )(JETIA)制定了關(guān)于鋰離子電池使用和充電的規范。雖然該規范只是指導性規范，而非認證機構的嚴格標準，但業(yè)內普遍認為該規范有助于確保鋰離子電池的安全使用。

　　如圖1所示，JEITA規范定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)和位于二者之間的三個(gè)溫度區(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規范規定的溫度區

　　規范規定了每個(gè)溫度區的最大安全電流。

　　· 高溫度區：最大電流為電池容量的50%

　　· 標準溫度區：最大電流為電池容量的70%

　　· 低溫度區：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的安全電壓區。

　　圖2 JEITA規范規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

　　可穿戴設備和許多其他物聯(lián)網(wǎng)設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(mǎn)足JEITA規范的要求。

　　該功能的核心是一種靈活的CC/CV充電算法。該算法支持200 μA - 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(lái)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：預充、恒流、恒壓和電壓監控。

　　充電周期

　　充電過(guò)程在檢測到輸入電壓后立即開(kāi)始。如果電池電量嚴重損耗(例如電壓已低于3V)，則充電算法會(huì )觸發(fā)預充階段，以低電流(約為電池容量的10%)為電池“預充電”，直至電池可以接受滿(mǎn)充電電流。這可以防止出現過(guò)熱現象。

　　在電壓達到合適水平后，充電算法切換至恒流階段，以較高電流(可達到電池的容量)為電池充電，直至電壓達到4.2 V(標準值)。這時(shí)充電器進(jìn)入恒壓階段，以避免過(guò)充危險。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(guò)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(mǎn)。如果充滿(mǎn)后電池仍然處于連接狀態(tài)，則充電器進(jìn)入電壓監控階段，從而提供周期性的續充，以彌補由于電池自放電而產(chǎn)生的電量消耗。續充通常在電池開(kāi)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)基礎循環(huán)中，系統設計工程師能夠對一系列參數進(jìn)行調整，以定制充電過(guò)程。這些參數包括：

　　· 預充電流(應設為10%[1]–亦即1mA - 15mA)

　　· 預充電壓Vpcv(應設為3.05V)

　　· 預充定時(shí)器(默認值= 15分鐘)

　　· 恒定充電電流Icc(應設為70%1)

　　· 充電電壓Vfloat(范圍4.2 – 4.6V)

　　· 恒流(CC)定時(shí)器(默認值 = 180分鐘)

　　· 恒壓(CV)定時(shí)器(默認值 = 360分鐘)

　　內置保護功能

　　為幫助確保安全，DA14680和DA14681提供了一系列內置保護功能，以防止由非標準充電條件造成的問(wèn)題，包括：

　　· 欠壓放電

　　· 過(guò)壓充電

　　· 過(guò)流充電

　　· 預充、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)

　　我們強烈建議電池提供針對過(guò)壓充電、欠壓放電和過(guò)流充(放)電的內置保護功能，此外，電池還必須有內置負溫度系數(NTC)傳感器，該傳感器應當連接至DA14680或DA14681的NTC引腳。該引腳還應當連接至模/數轉換器(ADC)輸入(如ADC5)。

　　安全、方便和可靠的可穿戴設備

　　可穿戴設備市場(chǎng)現在增長(cháng)迅猛，并將在未來(lái)幾年繼續保持增長(cháng)。系統功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進(jìn)展。但我們離可穿戴設備從其所在環(huán)境中獲取能量進(jìn)行充電的目標還有很長(cháng)的距離。因此，可穿戴設備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)應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，可幫助系統設計工程師滿(mǎn)足尺寸限制，同時(shí)提供使消費者滿(mǎn)意的長(cháng)電池續航時(shí)間。其較高工作電壓意味著(zhù)需要的電芯更少，從而可以進(jìn)一步減小系統尺寸和提高設計靈活性。

　　但這些電池需要更復雜的充電解決方案來(lái)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規范的充電算法和內置保護功能。在單個(gè)芯片上提供所有這些功能可幫助進(jìn)一步減小系統尺寸，同時(shí)實(shí)現設計靈活性的最大化，并簡(jiǎn)化設計過(guò)程。設計工程師因此能夠更快地設計出功耗豐富、舒適和外觀(guān)漂亮的可穿戴設備。