可穿戴和物联网中小型电池应用的充电考虑因素

今天，我们将讨论 可穿戴设备、物联网和 小型电池应用， 以及它们的理想充电器。 我们将首先看一下 物联网和可穿戴设备的 一些市场趋势 和应用类型， 以及最流行的 终端设备是什么。 接下来，我们将快速回顾 与电池充电相关的 一些术语。 我们将讨论两种 类型的充电器， 为什么一种 充电器比另一种 更适合小型 电池应用，以及 在选择充电器时 要考虑的一些特性。 最后，我们将介绍 一些系统要求， 特别是小型 电池应用。 可穿戴应用的使用 领域在不断扩大。 越来越多的 日常应用会 保持互联。 个人电子产品 仍然是可穿戴市场的 主要驱动力。 移动性和便利性需求 使得蓝牙耳机成为迄今 为止可穿戴设备中 最大的一类，远超 第二大类的手腕式应用。 医疗和工业领域 也在慢慢地采用 可穿戴技术 来提供预防医疗 保健和安全保护。 大多数常用互联设备 都可称之为 物联网。 该领域也表现出 巨大的增长潜力。 现在，在住宅施工建设 之前便会事先 安装泄漏检测 传感器等应用。 家庭自动化可通过 多种终端设备 来实现智能住宅。 汽车行业正利用 远程信息技术 将汽车连接起来， 以实现自动驾驶并确保安全。 所有这些应用的 一个共同点是 都需要电池。 可穿戴和物联网 应用相对较小， 这样才能不显眼 且方便使用， 因此它们仅为电子 设备留有少量空间。 很多应用都 需要一个可以 跨许多不同 平台灵活支持 多种电池配置的 充电器。 而且最重要的是， 由于这些应用中许多 都是始终处于运行状态， 因此在电池容量有限的挑战下， 它们都要求实现 长电池运行时间。 这使得低功耗设计 成为小型电池应用的 关键。 锂离子电池 化学技术 因高能量密度 和较为轻薄 且小巧的外形 而被广泛应用于 便携式设备中。 锂离子充电曲线 由三个阶段组成。 预充电阶段是在 第一次快速充电之前 使电池达到安全电压。 此阶段是为了防止 电池在某些故障 状况下被滥用。 如果电池 短路或有缺陷， 我们就不会想将最大 电流注入电池， 因为这样会造成 进一步的损坏。 因此，我们只会在非常 低的电压下，施加很小的 电流，以防内部 安全开关跳闸。 一旦电池电压 高于安全电压， 我们就可以 以最大速率充电。 此时，我们在恒定 电流阶段用 恒定电流充电， 直到电池 达到其满电电压。 最后，随着充电 电流逐渐减小到阈值， 电池 [听不清] [？电压？] 在恒定电压 阶段保持不变， 最终终止充电。 开关式充电器 适合用于 充电电流较高的 应用，因为它们 在这些更高的电流下 具有更好的热性能和效率， 这得益于它们的 开关 FET 可控制 电流量进而 控制功率损耗， 从而在给定输入 电压下提供更高的 输出电压，而线性 充电器的效率则直接 取决于输入和输出 电压之间的差异。 许多小型电池 应用的充电电流 都不超过 1 安。 输入和输出 电压之间的 压差很小。 因此，与线性 充电器相比， 开关充电器获得的 效率要小得多。 开关充电器还包括 更多的无源元件， 这些元件将增加 解决方案的尺寸， 并且它们通常 较大，以更好地 进行散热 并通过 FET 来控制开关。 在小型电池应用中， 尺寸和低功耗 是线性充电器 更受欢迎的两大 驱动因素。 电池充电器 有很多不同 类型的参数。 电源路径允许 在给电池 充电的同时 为系统供电。 功率耗散可能是 一个重要的指标， 指示可能需要 考虑哪些布局因素， 以便很好地散热。 不同的运行 模式有助于 缩短电池的 充电时间。 安全和状态 引脚有助于 实现更具弹性的设计。 所有这些都很 重要，但必须 根据小型电池应用的 情况进行重要性排序。 电池运行时间 是可穿戴设备的一个 重要系统要求， 特别是因为它们 应该不显眼并融入到 我们的生活中。 它们要摘下来 才能充电，这可能 会造成干扰和不便。 尽可能提高 充电间隔时间 有助于最大限度地 减少可穿戴设备的 不可佩戴时间。 大多数可穿戴设备 都需要一直佩戴， 从而在用户醒着和睡着的 时候都可以获取数据。 要做到这一点， 就必须尽可能提高 充电间隔时间， 并尽量减少充电 所花费的时间。 BQ25120A 提供了 几个特性， 可在使用时 延长产品的寿命。 该器件还具有 几个特性 可以在充电期间 使用，以减少充电 时间。 诸如可调电压 电池稳压和可调 快速充电 电流等特性 有助于在最短的时间内 获得最大的充电量。 该器件集成了一个 简单的电压电池监视器， 可以帮助在充电 期间检查电池电压。 电池稳压是可调节的， 范围为 3.6 伏到 4.65 伏，阶跃 为 50 毫伏。 在这个例子中，我们有一个 4100 万小时的锂离子 可充电电池， 推荐的充电率是 0.5C。 最终的电池 充电电压是 4.35。 首先，在给 BQ25120A 供电时， 我们需要确保 电池电压 处于可接受的水平， 以尽量减少 对电池的损坏。 如果在可接受的水平， 那么我们可以转到改进的 快速充电部分。 我们会将电池稳压 电压降低到 4.2， 并将充电率 提高到 1.5C。 请记得与您的 电池制造商联系， 找出适合您的 电池的最佳快速 充电模式。 我们将继续在 CC/CV 模式下充电， 直到电池电量 达到 98% 左右。 然后，我们将充电 电流重置为推荐的 0.5C， 电池稳压电压为 4.35， 这样充电模式将继续进行， 并在不给电池过度 充电的情况下 完成该过程。 将正常快速 充电周期 与改进后的快速 充电周期进行比较， 可以看到，改进后的 快速充电周期 在两个半小时后终止， 而正常快速充电 周期在三个多 小时后终止。 如果要绘制 有关在同一时段内 进入电池的能量的图表， 比如 30 分钟内， 很明显，与正常 快速充电周期相比， 改进后的快速 充电周期 向电池输送的 能量更多。 在这种情况下， 当用户每天 给电池充电 一定的时间时， 比如说当他们 在淋浴时， 用快速充电 方法向电池 输送的能量 大约是 46 库仑， 而用普通 快速充电 方法可以 输送 37 库仑。 也就是说，在相同的 时间内，向电池输送的能量 增加了 20%。 高效的低功耗 设计对于 小型电池应用 也很重要。 在这里，我们将 介绍电池 充电器中的集成 电压轨以及需要 注意的相关重要事项、 有助于延长 电池保质期的 操作模式 以及在设计 低功耗小型电池 应用时需要 考虑的外形和 BOM 计数因素。 所有超低 功耗系统的 设计者都关心 电池的运行时间。 多长时间后 就需要给电池 充电？ 显然，设计目标是实现 电池运行时间的最大化， 但我们如何用我们的 充电器做到这一点呢？ 在许多系统中， 总是要启用一个 或两个电压轨。 这些电源通常是 微控制器或 关键传感器， 或者可能是通信总线。 这些常开电源轨 需要非常高的效率， 以延长电池的运行时间。 良好的子系统设计 可将每个常开 子系统的电流 消耗降至最低。 很多时候， 总共不到 10 微安。 为了获得这些 子系统优化的好处， 我们需要一个 超低功耗电源。 在所耗电流 非常低的电源轨上， 这会转化为 具有超低静态 电流或 IQ 的电源， 如 BQ25120A。 下图对应的是集成 降压转换器，通常 用于为微控制器供电， 在 10 微安时的 效率为 75%。 当启用直流/直流 转换时，整个 芯片的 IQ 为 700 纳安。 您可能会想， 最重要的是 尽量减少 每个电源 在运行时的 电流消耗。 降低 IQ 会 提高效率， 从而通过消耗 较少的电池电量 来延长电池运行时间。 但是效率的提高 一定是显著的吗？ 对于在相对高/低的 电流下工作的系统， 如显示器或 某些传感器， 答案显然是否定的。 输出功率远大于 IQ 功率。 例如，如果健身 跟踪器中的显示器的 耗电为 12 伏/5 毫安， 总共 60 毫瓦， 那么 3.6 伏电池 电压下 100 微安的 IQ， 即 0.36 毫瓦的功耗， 也就无关紧要了。 对于这些 类型的子系统 而言，禁用时的 功耗更为重要。 为了节省电池电量， 超低功率系统 会在大部分时间 关闭高功耗系统。 因此，关断 电流变得 对系统的电池 寿命更为关键。 这种经常被称为 漏泄电流的电流 可能会非常高， 导致您不得不 添加一个负载 开关，以断开 系统与电源的连接， 从而进一步降低 关断电流。 BQ25120A 集成了 这些电源轨， 以帮助实现 低功耗系统设计。 BQ25120A 具有一种称为 “运输模式”的运行模式。 这是最低静态 电流运行模式。 它用来通过 关闭电池 FET 来减少电池的电流消耗。 这种运行模式可用于 为设备提供更长的 保质期，因为许多 安全要求都规定， 在运输个人 电子产品时， 其电池电量要少于 其在储存时的一半。 通过尽量减少产品 在货架上时的电池电流消耗， 可以获得良好的 开箱即用体验。 使用过程中 也可以进入此模式。 如果应用的 电量几乎耗尽了， 则可以进入运输模式， 通过减慢电流消耗速度 来保持剩余电量。 由于不允许将设备内的 电量完全用完， 因此可以缩短 充电所需的时间。 对于不同的用例， 还有许多 其他方法 可以进入运输 模式。 例如，当在 生产线上对应用 进行编程时， 移除输入电源， 即可进入 运输模式。 但是如果 输入线路存在噪声， 它也可以延迟， 这样你就不会意外地 退出运输模式。 小型电池应用往往 都是空间关键型 应用。 电池通常是 系统中最大的 组件。 组件的封装大小 可以帮助 减小解决 方案的总尺寸。 因此，在这些 类型的应用中， 晶圆芯片级 封装或 WCSP 通常更受欢迎。 它们往往比四方扁平 无引线或 QFN 封装小 50%， 更接近实际的 裸片尺寸， 将在设备内所需的 空间减少了一半。 BQ25120A 等 器件集成了 小型电池应用的 电源管理所需的 通用组件， 包括直流/直流 转换器和 LDO 等 电源轨以及 电压监视器 和充电器， 还可确保您的无源 组件在满足您的应用 所需的电压和 温度降级规范的 同时尽可能地 保持最小的 外形尺寸。 所有这些 都有助于减小 解决方案的尺寸 和 BOM 计数， 从而节省空间和成本。 无论是何种类型的 应用，安全性 通常都是一个重要的要求。 它为您的设计 增加了弹性和可靠性。 我们将介绍 我们在大多数 充电器中集成的 几个不同的安全特性 -- 热调节、输入 过压保护、 电源路径和 短路保护。 线性非电源 路径充电器的 功耗等于 输入与输出 电压之差 乘以充电电流。 当充电器 从预充电过渡到 快速充电时， 输入电压和电池电压 之间存在很大的差异， 此时功耗达到 最大值。 在充电周期 开始时，很难 将结温维持在 一个安全的 热范围内。 在充电周期内， 当电池电压升高时， 功耗将降低。 当进入恒压 充电模式后， 随着充电电流 逐渐减小，功耗 会进一步下降。 如何改进设计， 从而使充电器在安全的 热范围内工作？ 当内部芯片 温度达到 预先定义的 温度阈值时， 例如 110 摄氏度， IC 温度的任何 进一步升高 都会导致充电 电流的降低。 这限制了功耗， 并为充电器提供 热保护。 导致 IC 结温 达到热调节的 最大功耗 取决于 PCB 布局、热通孔 数量和环境 温度。 图表显示， 在 1.2 秒后， 热回路在 2 秒内 将有效充电 电流从 1.2 安降低到 600 毫安。 热调节通常 发生在快速 充电的早期阶段， 但如果其在恒压 模式下处于激活状态， 则充电电流可能 过早地达到充电 终止阈值。 为了防止这种 充电终止错误， 当热调节回路 处于激活状态时， 电池充电终止 功能将被禁用。 此外，有效 充电电流降低， 电池充电 时间延长， 如果充电器安全 计时器有固定设置， 还可能会提前 终止充电。 图中显示， 在热调节模式下， 安全计时器的 响应与有效充电 电流成反比。 可用于给 锂离子电池 充电的适配器 有多种。 较便宜的适配器可能 没有很好的稳压输出， 且在空载情况下 比在正常负载情况下 有更高的输出电压。 此外，在电池 热插拔过程中， 由于电缆 电感和电池 充电器输入 电容之间的 谐振，充电器的 电池电压 可达到适配器电压的 两倍。 为提高输入电压 高于预定阈值时的 安全性， 充电器中 实施的输入 过压保护 不允许在 该状态下充电。 输入过压保护 是保护系统和产品的 重要安全协议。 如果用户在车内 给产品充电， 而他们使用的廉价 适配器发生了短路， 那么该设备可能会窃取 汽车电池的全部电压。 这就是输入过压可以 高达 30 伏的原因， 即使是对于 小型电池应用。 如果您想为系统 供电并同时为电池充电， 那么电源路径将会 在小型电池应用中 非常有用。 页面上半部分的 原理图显示了 具有离散电源路径的 充电器解决方案。 LDO 提供经稳压的 输出电压，输入 电流限制电阻器 会限制可输送至电池的 最大电流。 D1、R1、R4 和 Q1 会 监控输入电压， 如果存在输入电源， 则打开 Q2 和 Q3， 将输入连接到 系统负载。 如果不存在输入 电源，则将 Q5 和 Q4 进行偏置， 因此电池将向系统 负载供电。 这种状态称为 电池补充模式。 该充电器解决 方案简单、离散， 但有许多局限性 和一些安全特性。 添加任何安全特性 都会迅速提高解决方案的 成本，但通常会 抵消无保护设计的 责任成本。 LDO 通常并不是非常 精确的稳压器， 尤其是与外部可编程 电阻器搭配使用时。 如果将稳压值 设置得较低 以确保不超过 最大电池电压， 则典型电压和 容量将会较低。 粗糙的电流限制 电阻器将允许在较低的 电池电压下 有更多的电流， 并且不会提供调节电流 来帮助恢复电量 耗尽的电池或防止 电池因过度充电而损坏。 对于集成电源 路径解决方案， 需要的外部 组件仅仅是 两个外部编程 电阻器和三个 电源电容器。 节省了空间， 且增加了安全特性。 虽然电源路径允许 将电池和系统 单独分开， 以便在为电池 充电的同时 为系统供电， 但它还提供了支持 弱电源适配器的安全 特性。 如果使用电流受限的电源， 如较弱或错误的 USB 适配器， 则适配器和系统 电压将下降， 因为它无法支持 系统所需的电流。 这会使 ICE 进入 DPPM 模式或电池补充 模式。 降低电池的充电 电流有助于解决 与输入电源过载 有关的大部分问题， 因为这种做法 可促进优先考虑 系统负载，并允许 在这些弱电源或轻微 交流断电的情况下运行。 没有 DPPM 的其他输入 电流管理解决方案 无法检测到弱电源 或降低充电电流， 因此系统将会崩溃。 右侧的图表描述的 便是这种情况。 左边的图表显示， 在第一个负载步骤后 达到输入 电流限制时， IC 进入 DPPM 模式， 这降低了充电电流， 以防止输出电压 下降到某个阈值 以下。 在第二个负载步骤 之后，系统负载 大于输入限制， 输出电压 降到刚好低于 电池电压， 电池 FET 打开 以补充流到系统 负载的输入电流。 注意，各模式 之间的电压转换 非常小，最适合 对电压变化不敏感的 应用。 将电压输出引脚 短接会导致 电池或 V-in 电源 提供的电流过大。 如果从 V-bat 到 V-out 的 压降大于几毫伏， 且其迭代时间 长于指定的 故障时间， 则电池短路保护 将禁用电池 FET。 系统会定期 打开电池 FET， 检查是否仍然 存在短路。 这个断续模式 会一直持续到 短路消失。 这可以防止对 ICE 的损坏 并解决可靠性问题。 对于 V-in 保护， 当输出电压 很小时， 输入 FET 会将输入电流 限制在最小值。 在过大的 负载消失后， 输出将会增加 并开始传送编程 输入电流限制。 该特性减少了 输出短路时的 损耗，提高了 可靠性。 该图显示的是输 出短路然后 IC 恢复时的波形。 线性充电器是小型电池 应用的理想选择， 这得益于它们的尺寸和 在低电流下的效率。 集成或使用 小型封装 IC 有助于减少 空间受限型 应用的 BOM 数量。 低 IQ 对常开 子系统很重要， 而关断电流 或泄漏电流 则对显示器等大功率 子系统很重要。 I2C 提供的 灵活性 有助于突破系统 限制或使用 一个芯片支持 多个平台。 总体而言， TI 充电器集成了 多层安全功能， 以实现弹性、 可靠的设计。 这里是一些在小型 电池应用中很流行的器件， 它们提供了我们 今天讨论过的各种各样的 充电器。