详细剖析可穿戴设备系统的电池充电安全问题

电子设计 2018-01-11 08:29 次阅读
物联网将改善现代生活的几乎各个方面。通过收集和分析大量数据,物联网可以帮助我们管理身体健康、减少在家居和工作场所的能源消耗、监测和改善我们所在的环境等等。
    物联网的潜在应用十分广泛,但它们也有一些共同的重要特征。用于收集数据的设备需要体积小、易于使用且几乎随时可供使用。这些要求可能在可穿戴设备上最为明显,全世界有数以百万计的人已经在使用可穿戴设备来跟踪活动、监测身体指标和改善健康。
    为了收集所需的数据,消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此,它们必须小巧而舒适,并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。
    这产生了如何为这些设备供电的问题。理想的情况是,它们可以直接从所处的环境中获得能量,这样它们可以始终保持有电。虽然我们已经在降低功耗和改善能量采集上取得了很大进步,但距离实现理想还有一定差距。在可预见的未来,我们还需要依靠电池作为主要电源。特别是,为了最大限度减少由数十亿设备造成的能源浪费,在未来一段时间,可充电电池应该是首选电源。
    可穿戴设备的自然选择
    可穿戴设备不仅尺寸很受限制,而且由于需要长期穿戴,舒适性很重要,因此它们还必须非常轻。所以电池就必须尽可能小。不仅如此,IDC和GMI进行的反复研究表明,电池续航时间是消费者购买电池供电式便捷产品的第一考虑因素。因此,高电池容量对产品获得成功非常重要。
    同时满足这两个要求使得电池面临的挑战更加艰巨。幸运的是,锂电池的许多特性使它们能够克服这一挑战,从而成为可穿戴设备应用的理想选择。
    首先,它们提供高能量密度,允许系统设计工程师选择更小更轻的电池,而且能提供更长的工作时间。同时,锂电池的工作电压通常为3.7 V,相比之下,镍氢或镍镉电池只有1.2 V。这意味着锂电池需要更少的电芯(cell),这也有助于实现更小更轻的系统。另外,它们的自放电率也远低于基于镍的电池,约为每月2%,而镍氢和镍镉电池高达每天5%。这样不仅能够减少充电次数,而且电池放置很长时间后也能随时再次使用,从而使系统更加便于客户使用。
    当然,所有技术都有自身的缺点。例如,锂离子电池的制造比基于镍的充电电池更复杂,所以价格更贵。但作为一种大量生产的产品,规模经济和持续的技术改进正在快速降低其制造成本。
    最近的头条新闻也显示,锂离子电池具有更大的潜在安全风险。由于使用易燃电解质,所以如果充电电压过高或过低都有可能导致起火或爆炸。不过,大多数锂离子电池都有内部保护电路,可以在一定程度上防止过压或欠压。但锂离子电池的充电过程仍然比基于镍的充电电池复杂的多。
    锂离子电池:实现舒适方便的可穿戴设备
    · 小电池,长续航时间,高能量密度
    · 更高工作电压意味着更少的电芯和更小的系统
    · 更慢的自放电:更少的充电次数,随时可供使用
    充电挑战
    为避免这些安全问题,锂离子电池需要恒流(CC)、恒压(CV)的充电过程。在此过程中,电池首先以固定电流充电,直至达到设定电压。然后,充电电路切换到恒压模式,从而提供必要的电流,以维持设定电压。
    为了获得最佳充电效果,必须对电流和电压水平的选择做出精心的权衡。以较高电压充电可以增加电池容量,但电压过高会造成电池受压或过充,导致永久损害、不稳定性和危险。同样,较高充电电流可以加快充电速度,但代价是减少电池容量:充电电流降低30%可以使电池储存的电荷量增加10%之多。
    因此,充电电流通常设置为电池容量(电池能持续供电一小时的最大电流)的一半,电压设置为每个电芯4.2 V。不过事实证明,使用略小的充电电流及电压可减缓电池老化,使其能够以更高的蓄电量度过更多的充电循环。
    确保安全
    由于这一复杂性,充电解决方案必须能够密切监测充电电流和电压,并提供稳定的控制回路,使充电电流和电压在充电循环的合适时点保持合适的值(亦即使电流在第一阶段保持恒定,电压在第二阶段保持恒定)。
    另外还需要按照严格的标准对充电解决方案进行全面的测试。这些标准包含的测试条件比镍基充电电池所需的更广泛,同时还包括与电池本身相关的测试。
    JEITA规范
    日本电子信息技术产业协会(JETIA)制定了关于锂离子电池使用和充电的规范。虽然该规范只是指导性规范,而非认证机构的严格标准,但业内普遍认为该规范有助于确保锂离子电池的安全使用。
    如图1所示,JEITA规范定义了最低温度(T1)、最高温度(T4)和位于二者之间的三个温度区(低、中、高),以确保充电安全。

    图1:为保证锂离子电池充电安全,JEITA规范规定的温度区

    规范规定了每个温度区的最大安全电流。
    · 高温度区:最大电流为电池容量的50%
    · 标准温度区:最大电流为电池容量的70%
    · 低温度区:最大电流为电池容量的60%
    图2显示了这些安全电流和对应的安全电压区。

    图2:JEITA规范规定的锂离子电池安全充电电流和电压

    使用DA1468x产品系列保证充电安全
    可穿戴设备和许多其他物联网设备的尺寸和重量非常受限制。为帮助确保电池充电安全,同时符合尺寸和重量要求,Dialog的SmartBond? DA1468x系列SoC(系统级芯片)集成了电源管理功能,再加上一些外部元件和连接的辅助,可完全满足JEITA规范的要求。
    该功能的核心是一种灵活的CC/CV充电算法。该算法支持200 ?A - 400 mA充电电流,可以对具有不同容量的电池充电。图3显示了如何将DA1468x SoC连接至电池来进行充电。

    图3:采用DA14680或DA14681的锂离子电池充电电路示例

    该算法有四个不同的充电阶段:预充、恒流、恒压和电压监控。
    充电周期
    充电过程在检测到输入电压后立即开始。如果电池电量严重损耗(例如电压已低于3V),则充电算法会触发预充阶段,以低电流(约为电池容量的10%)为电池“预充电”,直至电池可以接受满充电电流。这可以防止出现过热现象。
    在电压达到合适水平后,充电算法切换至恒流阶段,以较高电流(可达到电池的容量)为电池充电,直至电压达到4.2 V(标准值)。这时充电器进入恒压阶段,以避免过充危险。在此阶段,电压保持在4.2 V,而电流降低至电池容量的10%左右。从恒流阶段过渡到恒压阶段是逐渐而且平滑地完成的,以免电池受损。
    到这时电池已经充满。如果充满后电池仍然处于连接状态,则充电器进入电压监控阶段,从而提供周期性的续充,以弥补由于电池自放电而产生的电量消耗。续充通常在电池开路电压降至4.0 V以下时进行。

    图4:Dialog DA14680和DA14681的充电周期

    在这个基础循环中,系统设计工程师能够对一系列参数进行调整,以定制充电过程。这些参数包括:
    · 预充电流(应设为10%[1]–亦即1mA - 15mA)
    · 预充电压Vpcv(应设为3.05V)
    · 预充定时器(默认值= 15分钟)
    · 恒定充电电流Icc(应设为70%1)
    · 充电电压Vfloat(范围4.2 – 4.6V)
    · 恒流(CC)定时器(默认值 = 180分钟)
    · 恒压(CV)定时器(默认值 = 360分钟)
    内置保护功能
    为帮助确保安全,DA14680和DA14681提供了一系列内置保护功能,以防止由非标准充电条件造成的问题,包括:
    · 欠压放电
    · 过压充电
    · 过流充电
    · 预充、恒流和恒压阶段超时
    · 电池温度低和高(带有外部NTC和连接)
    我们强烈建议电池提供针对过压充电、欠压放电和过流充(放)电的内置保护功能,此外,电池还必须有内置负温度系数(NTC)传感器,该传感器应当连接至DA14680或DA14681的NTC引脚。该引脚还应当连接至模/数转换器(ADC)输入(如ADC5)。
    安全、方便和可靠的可穿戴设备
    可穿戴设备市场现在增长迅猛,并将在未来几年继续保持增长。系统功耗和能量采集潜力方面都已取得一定进展。但我们离可穿戴设备从其所在环境中获取能量进行充电的目标还有很长的距离。因此,可穿戴设备和其他功能丰富的物联网应用仍然需要使用充电电池。
    锂离子电池体积小、重量轻、容量大,可帮助系统设计工程师满足尺寸限制,同时提供使消费者满意的长电池续航时间。其较高工作电压意味着需要的电芯更少,从而可以进一步减小系统尺寸和提高设计灵活性。
    但这些电池需要更复杂的充电解决方案来确保安全和高效的充电。Dialog的DA1468x系列产品提供集成的电池管理功能,包括符合JEITA规范的充电算法和内置保护功能。在单个芯片上提供所有这些功能可帮助进一步减小系统尺寸,同时实现设计灵活性的最大化,并简化设计过程。设计工程师因此能够更快地设计出功耗丰富、舒适和外观漂亮的可穿戴设备。

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