Li-ion/Polymer二次電池的應用方案

Li-ion/Polymer二次電池用于許多設備，也被用于物聯(lián)網/傳感器、可穿戴設備以及工業(yè)設備的備份。

對一次電池追加為匹配充電控制和電源電壓的超低消耗降壓是有代表性的電源配置。介紹為更加減小電流消耗進行的研究、以及為傳感器、無線通信提供低噪聲電源供給、適用于備份用途電源路徑的OR連接以及遭遇凍結等設備異常時的對策。

電路框圖(a)點此查看解決方案概要↓

電路框圖(b)點此查看解決方案概要↓

解決方案概要

使用Li-ion/Polymer二次電池的IoT器件需要充電用電池充電IC和將電壓降至MCU的電源電壓范圍內的降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

電路框圖(a)中列出了一個簡單的配置示例。

電池充電IC

首先，我將說明電池充電IC的用法。

充電電壓（CV : Charge Voltage）和充電電流（CC : Charge Current）是基本選擇。根據所需的充電電流，選擇充電IC和電阻RISET。

電池充電IC

XC6808: 5mA ~ 40mA
XC6803: 40mA ~ 280mA
XC6804: 200 mA ~ 800 mA

本電路框的Li-ion/Polymer電池是內置NTC，外置PCM（電池保護電路）的情況。無論內置/外置都需要PCM。

關于NTC，如果沒有內置在電池中，請注意放置場所并將其外置。

如果不需要NTC，請通過電池充電IC指定的方法處理NTC連接引腳。

這里顯示充電狀態(tài)的CSO引腳已用于向MCU發(fā)送充電情況。

CSO引腳為N溝開漏輸出，已通過電阻上拉到MCU的電源，以使信號的“H”電平與MCU的I/O電壓范圍相匹配。

如果用LED顯示充電狀態(tài)，則通過限制電流用電阻驅動LED，使該電源從VIN獲得。這是為了避免用充電IC供應的充電電流驅動LED。

VIN中放置了浪涌保護用TVS。因為是外部引腳，可能會有ESD等浪涌、及劣質USB適配器在無負載時也可能會產生相當高的電壓，要用TVS和齊納二極管采取對策。

關于MCU專用降壓DC/DC及LDO

Li-ion/Polymer電池高達CV = 4.2V或4.35V，一般來說，最大3.8V左右的MCU需要降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

在IoT設備中，MCU許多期間在Sleep狀態(tài)下工作，因此IOUT從μA級（Sleep時）到100mA以上（工作峰值時）必須高效。

通過將在超低消耗的同時搭載輸出電壓切換（VSET）功能的降壓DC/DC用于此用途，可進一步改善電池的耐久性。

如果使用輸出電壓切換功能，即使使用電流相同也能降低工作電壓，可大大降低功耗。

一般來說，MCU因內置的RF、模數和高速運算等，所以在工作時需要較高的電源電壓，但可在Sleep時以最小電壓工作。

例如，Sleep時通過將VOUT從3.0V降至1.8V，可減少MCU的功耗，大幅改善電池的耐久性。

降壓DC/DC

XC9276：Iq = 200nA, 輸出電壓切換功能

XCL210：線圈一體型 Iq = 0.5μA (無輸出電壓切換功能)

如果要廉價配置解決方案，穩(wěn)壓器適合。

此外在可充電的應用程序中，即使是效率低下的穩(wěn)壓器，有時也會被判斷沒有問題而使用。

穩(wěn)壓器

XC6504: Iq = 0.6μA, 無需輸出電容

關于RF/Sensor專用降壓DC/DC及LDO

RF和傳感器也因電池電壓高而需要降壓DC/DC和穩(wěn)壓器。

RF中重要的是低紋波且低EMI。

降壓DC/DC

XCL205: 線圈一體型 PWM, 3MHz/高效率/低EMI
XCL206: 線圈一體型 PWM/PFM, 3MHz/高效率/低EMI

僅在需要MCU時，設CE=“H”，工作降壓DC/DC，向RF和傳感器供應電壓使之工作。

停止時，不僅會停止RF和傳感器的功能，也會停止降壓DC/DC的工作，可使電池長時間使用。

要抑制工作時的紋波，使其噪聲頻率恒定，PWM固定型適合。

如果有輕載的工作狀態(tài)，則使用PWM/PFM轉換（自動切換工作模式）型。

如果要使用穩(wěn)壓器，高紋波抑制/低噪聲且像RF一樣的消耗電流變化陡峭的負載瞬態(tài)響應出色的高速LDO最適合。

此外，傳感器用途中100kHz以上的噪聲重要的情況下，會有高頻噪聲低的低消耗型比高速型更適合的情況。

穩(wěn)壓器

XC6233: 高速

XC6215: 低消耗

關于RESET IC

使用超低消耗電壓檢測器可監(jiān)視電池電壓。

MCU的電源電壓與檢測的電池電壓不同，因此要使用N溝開漏型，通過電阻上拉到MCU的電源電壓，并將信號傳遞給MCU。

如果想降低檢測后的上拉電阻消耗電流，將監(jiān)測（VSEN）引腳從電源（VIN）引腳中分離，并使用CMOS輸出型。

通過從MCU的電源電壓獲得電源，可使用CMOS輸出型。

電壓檢測器

XC6136 N型: Iq～100nA (N型 : N溝開漏輸出)

XC6135 C型: Iq～100nA，傳感引腳分離型 (C型 : CMOS輸出)

關于Push Button重啟控制器

關于作為死機對策而附加的Push Button重啟控制器。

Push Button 重啟控制器

XC6190

Li-ion/Polymer的IoT設備一般不能拆卸電池，所以需要在死機等設備異常時進行復位并使之重新啟動的功能。

本例中有兩個MCU控制用按鈕，Push Button重啟控制器與其共同使用。

死機時，同時持續(xù)按下兩個開關，規(guī)定的時間過去后，RSTB下降到“L”，可復位MCU。RSTB為N溝開漏輸出，因此將上拉到MCU的電源電壓。

這里是向MCU發(fā)送了RESETB信號，另外也有例如控制驅動MCU電源的降壓DC/DC的CE，通過長按RESET關閉DC/DC來強制重新啟動的方法。

理想二極管負載SW

電路框圖 (b) 分別顯示了 5V電源供電和 Li電池供電的電源路徑和 OR 連接的情況。它適用于在充電過程中消耗大量電流以及使用鋰電池作為備用電池的電子設備。

供電路徑的OR連接一般采用SBD，由于VF而產生0.3V～0.5V的壓降成為損耗，極大地影響鋰電池設備的使用壽命和備份時間。

理想二極管負載SW的VF僅為20 mV，損耗非常小。適用于需要延長電池使用壽命的設備。

一般附帶防止回流的負載SW，只有在一定的逆流后才能停止，不能作為SBD的替代品。而理想的二極管負載SW 始終可以防止回流，可以放心地用于各種使用電池供電的設備。

理想二極管負載 SW

XC8110: 500mA
XC8111: 1A

如上所述，通過配置最佳功能的IC，可實現(xiàn)設備所需的低噪聲、長壽命的高性能器件。

關于特瑞仕半導體株式會社

特瑞仕半導體株式會社(總公司：東京、東證第一部: 6616)從 1995年設立以來，作為國內唯一的模擬電源IC的專業(yè)廠家，以「Powerfully Small」為產品制造追求的目標，提供增加客戶產品的附加值的世界最小級的高效率模擬電源IC以及可以加快客戶產品開發(fā)的電源設計方案。

特瑞仕的產品以國內為首，通過海外6家分公司7處銷售點銷往世界各地，被廣泛用于工業(yè)機器，汽車用品，通信，電腦產品，穿戴電子等市場。