可穿戴設(shè)備和其他小型系統(tǒng)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(xiàn)代生活的幾乎各個方面。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。

　　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)測身體指標和改善健康。

　　為了收集所需的數(shù)據(jù)，消費者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長時間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點和其他物聯(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步，但距離實現(xiàn)理想還有一定差距。在可預見的未來，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，在未來一段時間，可充電電池應(yīng)該是首選電源。

　　1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進行的反復研究表明，電池續(xù)航時間是消費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。

　　同時滿足這兩個要求使得電池面臨的挑戰(zhàn)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(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)計工程師選擇更小更輕的電池，而且能提供更長的工作時間。同時，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)，這也有助于實現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。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(shù)，而且電池放置很長時間后也能隨時再次使用，從而使系統(tǒng)更加便于客戶使用。

　　當然，所有技術(shù)都有自身的缺點。例如，鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復雜，所以價格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規(guī)模經(jīng)濟和持續(xù)的技術(shù)改進正在快速降低其制造成本。

　　鋰離子電池的潛在安全風險日益凸顯。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致起火或爆炸。不過，大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)部保護電路，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雜的多。

　　鋰離子電池：實現(xiàn)舒適方便的可穿戴設(shè)備優(yōu)勢有：

　　· 小電池，長續(xù)航時間，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)，隨時可供使用。

　　2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，導致永久損害、不穩(wěn)定性和危險。同樣，較高充電電流可以加快充電速度，但代價是減少電池容量：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)供電一小時的最大電流)的一半，電壓設(shè)置為每個電芯4.2 V。不過事實證明，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)。

　　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(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)的合適時點保持合適的值(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，同時還包括與電池本身相關(guān)的測試。

　　4JEITA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)范只是指導性規(guī)范，而非認證機構(gòu)的嚴格標準，但業(yè)內(nèi)普遍認為該規(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%

　　· 標準溫度區(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 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連接至電池來進行充電。

　　圖3 采用DA14680或DA14681的鋰離子電池充電電路示例

　　該算法有四個不同的充電階段：預充、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。如果電池電量嚴重損耗(例如電壓已低于3V)，則充電算法會觸發(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充電電流。這可以防止出現(xiàn)過熱現(xiàn)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)。這時充電器進入恒壓階段，以避免過充危險。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)，則充電器進入電壓監(jiān)控階段，從而提供周期性的續(xù)充，以彌補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以下時進行。

　　圖4 Dialog DA14680和DA14681的充電周期

　　在這個基礎(chǔ)循環(huán)中，系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠?qū)σ幌盗袇?shù)進行調(diào)整，以定制充電過程。這些參數(shù)包括：

　　· 預充電流(應(yīng)設(shè)為10%[1]–亦即1mA - 15mA)

　　· 預充電壓Vpcv(應(yīng)設(shè)為3.05V)

　　· 預充定時器(默認值= 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)定時器(默認值 = 180分鐘)

　　· 恒壓(CV)定時器(默認值 = 360分鐘)

　　內(nèi)置保護功能

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

　　· 欠壓放電

　　· 過壓充電

　　· 過流充電

　　· 預充、恒流和恒壓階段超時

　　· 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壓充電、欠壓放電和過流充(放)電的內(nèi)置保護功能，此外，電池還必須有內(nèi)置負溫度系數(shù)(NTC)傳感器，該傳感器應(yīng)當連接至DA14680或DA14681的NTC引腳。該引腳還應(yīng)當連接至模/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展。但我們離可穿戴設(shè)備從其所在環(huán)境中獲取能量進行充電的目標還有很長的距離。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)計工程師滿足尺寸限制，同時提供使消費者滿意的長電池續(xù)航時間。其較高工作電壓意味著需要的電芯更少，從而可以進一步減小系統(tǒng)尺寸和提高設(shè)計靈活性。

　　但這些電池需要更復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)置保護功能。在單個芯片上提供所有這些功能可幫助進一步減小系統(tǒng)尺寸，同時實現(xiàn)設(shè)計靈活性的最大化，并簡化設(shè)計過程。設(shè)計工程師因此能夠更快地設(shè)計出功耗豐富、舒適和外觀漂亮的可穿戴設(shè)備。