電池增強器 IC 巧妙地延長無線應用中鈕扣型鋰電池續航力

物聯網 (IoT) 加速無線感測器的普及。在消費性、醫療、工業或農業用途中，這些感測器皆必須小巧輕盈且提供持久的電池續航力。此外，這些裝置在傳輸與接收模式運作期間，會讓電源承受間歇性的高電流負載。例如，傳輸突衝可消耗 100 mA，而接收操作可消耗 10 mA，且在微安 (µA) 級的低電流睡眠模式操作期間會延長 (圖 1)。

圖 1：一般無線裝置的負載曲線顯示針對傳輸 (100 mA) 與接收操作 (10 mA) 會有短暫的高電流需求，且低電流睡眠模式操作期間會延長。(圖片來源：Nexperia，經作者修改)

傳輸或接收操作期間的持續時間通常為數十毫秒，而裝置一般會維持在睡眠模式長達數百秒。雖然平均電流會由於短工作週期而偏低，但高峰值電流會產生問題。

鈕扣型鋰電池尺寸小，能量密度高，但供應超過 10 mA 的電流會顯著縮短其使用壽命。此外，還具有相對較高的內部電阻，並且在供應此類較高電流時效率低下。例如，一顆全新的鈕扣型鋰電池具有大約 10 Ω 的內部電阻。供應 100 mA 的電流時，電池內部電阻會導致產生 1 V 的壓降。在此重負載下，電池化學反應率也會導致輸出電壓下降。此外，內部電阻會隨著電池老化而增加。使用鹼性電池是一項可行的替代方案。鹼性電池具有更高的峰值電流額定值，但缺點是尺寸遠大於鈕扣型鋰電池。

增強器可延長鈕扣型電池續航力

Nexperia 開發出支援鈕扣型電池的巧妙解決方案。其推出的鈕扣型電池續航力增強器積體電路 (IC) 系列會將鈕扣型電池與無線射頻電路的高電流需求隔離。如此一來，便能夠延長電池在無線感測器應用中的運作持續時間，在更加小巧輕盈的封裝下展現卓越的電池續航力。

增強器採用雙路 DC-DC 轉換器階段。第一階段以低電流從鈕扣型電池汲取能量，將電容儲存元件充電到比電池更高的電壓。儲能電容充電完成後，第二個 DC-DC 轉換器會以穩壓輸出電壓向間歇性負載供應隨需能量。由於鈕扣型電池無須承受外部負載所需的高電流，因此可延長使用壽命。

透過這種做法，高間歇性負載電流下的電池續航力能夠提高四至十倍，且峰值輸出電流提升 25 倍。共有兩種系列的元件符合鋰二氧化錳 (LiMnO₂) 或鋰亞硫酸氯 (Li-SOCl₂) 電池的特性 (表 1)。

表 1：NBM5100/NBM7100 系列鈕扣型電池續航力增強器積體電路的特性。(表格來源：Art Pini)

電池增強器的內部設計相似 (圖 2)。

圖 2：NBM5100A/B 與 NBM7100A/B 元件的方塊圖顯示兩者在功能方面相似。(圖片來源：Nexperia)

這些鈕扣型電池增強器的操作也相似 (圖 3)。

圖 3：顯示針對充電 (右上示意圖) 與主動負載 (右下示意圖) 週期的 NBM5100/7100 電壓與電流狀態圖。(圖片來源：Nexperia)

鈕扣型電池增強器採用雙路高效率 DC/DC 轉換器，透過緩衝電池，讓其免受短時高電流負載暫態的影響。在第一個轉換階段，在充電週期會使用升壓轉換器。此週期在重負載電流期間之前啟動。進行充電時，能量從電池轉移到外部儲能電容，且電容電壓 (V_CAP) 高於電池電壓。充電週期會從電池汲取低恆定電流 (I_VBT)。由於存在內部電阻，低充電電流導致電池輸出電壓 (V_VBT) 產生壓降。將電容充電後，降壓穩壓器 DC-DC 轉換器會處理主動週期、將能量從儲能電容傳輸至輸出電壓 (V_VDH)，因此可在穩定電壓下供應高負載電流 (I_VDH)，且效率高達 90%。

請注意，汲取的電池電流 (I_VBT) 在充電週期中仍維持極低狀態，在主動週期中可忽略不計。這降低了電池承受的重複應力，可增加電池的可用容量。未處於充電或主動週期時，輸出會下降至靜態或待機狀態，消耗的電流低於 50 nA。

電池增強器 IC 採用自適性學習演算法，可監測負載脈衝特性，並針對電池到電容的能量轉移與儲存進行智慧最佳化。可保留最多 63 個負載設定檔來調整充電過程。

增強器操作模式

NBM5100/7100 裝置可在連續、隨需和自動 (僅限 NBM5100A 與 NBM7100A 版本) 模式下操作。連續模式適用於需要立即回應暫態負載的應用。系統為儲能電容充電後，DC-DC 轉換器即會處於閒置狀態。系統會視需要監測和更新儲能電容的電壓。當接收到主動指令時，儲存電容的穩壓輸出便立即可用。儲能電容向負載傳輸所需能量後將重新充電。充電完畢時將設為就緒訊號。

隨需模式適用於需要最長電池續航力的應用。此模式起始為待機狀態。系統會使用 I/O 介面設定適當位元，來啟動隨需模式。系統會在必要時為儲能電容充電，並依就緒訊號指示將儲存的能量設為可用。

自動模式會使用開始訊號來啟動隨需操作，而無須使用 I/O 介面。就緒訊號指示儲能電容處於完全充電且可用的狀態。

NBM5100/NBM7100 系列採用序列 I/O 介面進行控制。NBM5100ABQX 與 NBM7100ABQX 元件採用 I²C 介面，NBM5100BBQX 與 NBM7100BBQX IC 配備 SPI 介面。

這些電池續航力延伸器可監測充電週期數，並報告鈕扣型電池的剩餘電量。延伸器會透過序列介面提供的電量計暫存器來回報電池充電狀態。

NBM5100/NBM7100 系列鈕扣型電池續航力延伸器採用 SOT763-1 (DHVQFN16) 16 引腳封裝，工作溫度範圍為 -40 至 +85°C。

Nexperia 針對 NBM5100ABQX 與 NBM7100ABQX 分別提供 NEVB-NBM5100A-01 和 NEVB-NBM7100A-01 專用評估板。這些評估板可快速方便地評估電池增強器，此外還可連接至開發中的板件，並使用圖形使用者介面 (GUI) 透過 USB 連線從電腦上進行控制。

結論

NBM5100/NBM7100 電池增強器能夠為具有高暫態負載的無線 IoT 應用中鈕扣型鋰電池延長續航力，否則這些應用可能需要使用更大的 AA 或 AAA 電池。因此不僅可巧妙地縮減裝置尺寸，同時降低成本。