【導讀】物聯網 (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用於消費、醫療

、工(gong)業(ye)還(hai)是(shi)農(nong)業(ye)，無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)必(bi)須(xu)小(xiao)巧(qiao)輕(qing)便(bian)並(bing)具(ju)有(you)長(chang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。此(ci)外(wai)，這(zhe)類(lei)設(she)備(bei)在(zai)傳(chuan)輸(shu)和(he)接(jie)收(shou)模(mo)式(shi)期(qi)間(jian)，還(hai)會(hui)使(shi)電(dian)源(yuan)承(cheng)受(shou)間(jian)歇(xie)性(xing)高(gao)電(dian)流(liu)負(fu)載(zai)。例(li)如(ru)，突(tu)發(fa)傳(chuan)輸(shu)會(hui)消(xiao)耗(hao) 100 mA 電流，而接收工作可消耗 10 mA 電流，其餘更長時間則是工作在低電流睡眠模式下，電流消耗為 μA 級（圖 1）。

物聯網 (IoT) 加速了無線傳感器的普及。無論是用於消費、醫療、工(gong)業(ye)還(hai)是(shi)農(nong)業(ye)
，無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)必(bi)須(xu)小(xiao)巧(qiao)輕(qing)便(bian)並(bing)具(ju)有(you)長(chang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。此(ci)外(wai)，這(zhe)類(lei)設(she)備(bei)在(zai)傳(chuan)輸(shu)和(he)接(jie)收(shou)模(mo)式(shi)期(qi)間(jian)，還(hai)會(hui)使(shi)電(dian)源(yuan)承(cheng)受(shou)間(jian)歇(xie)性(xing)高(gao)電(dian)流(liu)負(fu)載(zai)。例(li)如(ru)

，突(tu)發(fa)傳(chuan)輸(shu)會(hui)消(xiao)耗(hao) 100 mA 電流

，而接收工作可消耗 10 mA 電流，其餘更長時間則是工作在低電流睡眠模式下，電流消耗為 μA 級（圖 1）。

圖 1：典型無線設備的負載曲線

，顯示了傳輸和接收工作的短時高電流需求（傳輸：100 mA，接收：10 mA），以及更長時間的低電流睡眠工作模式。（圖片來源：Nexperia，由作者修改）

傳(chuan)輸(shu)或(huo)接(jie)收(shou)工(gong)作(zuo)周(zhou)期(qi)通(tong)常(chang)持(chi)續(xu)數(shu)十(shi)毫(hao)秒(miao)
，而(er)設(she)備(bei)處(chu)於(yu)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)的(de)時(shi)間(jian)通(tong)常(chang)為(wei)數(shu)百(bai)秒(miao)。盡(jin)管(guan)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)由(you)於(yu)占(zhan)空(kong)比(bi)小(xiao)而(er)較(jiao)低(di)，但(dan)高(gao)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)會(hui)帶(dai)來(lai)問(wen)題(ti)。

紐扣鋰電池體積小且能量密度高，但提供超過 10 mA 的電流會顯著縮短其使用壽命。這類電池還具有相對較高的內阻，在提供上述較大電流時效率低下。例如，新型紐扣電池的內阻約為 10 Ω。提供 100 mA 的電流會導致電池內阻上產生 1 V deyajiang。zaizhezhongzhongfuzaixia，dianchidehuaxuefanyingsulvyehuidaozhishuchudianyaxiajiang。ciwai，suizhedianchilaohua
，neizuyehuizengjia。yizhongkenengdetidaifanganshishiyongjianxingdianchi。jianxingdianchijuyougenggaodeedingfengzhidianliu，danquedianshibiniukoudianchidadeduo。

電池增強器可延長紐扣電池的壽命

Nexperia 開發了一種巧妙的解決方案來支持紐扣電池。其紐扣電池壽命增強器集成電路 (IC) 係列將紐扣電池與 RF 電路的高電流需求隔離開來。這樣做可以延長無線傳感器應用中電池的使用壽命，從而實現更小、更輕的封裝，同時具有出色的電池壽命。

這些增強器設計有兩個 DC-DC 轉(zhuan)換(huan)階(jie)段(duan)。第(di)一(yi)個(ge)轉(zhuan)換(huan)階(jie)段(duan)以(yi)低(di)電(dian)流(liu)從(cong)紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)汲(ji)取(qu)能(neng)量(liang)，為(wei)電(dian)容(rong)式(shi)儲(chu)能(neng)元(yuan)件(jian)充(chong)電(dian)，使(shi)其(qi)達(da)到(dao)比(bi)電(dian)池(chi)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)。儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)充(chong)電(dian)完(wan)畢(bi)後(hou)，第(di)二(er)個(ge) DC-DC 轉(zhuan)換(huan)器(qi)就(jiu)會(hui)按(an)需(xu)以(yi)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)向(xiang)間(jian)歇(xie)性(xing)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)。紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)永(yong)遠(yuan)不(bu)會(hui)受(shou)到(dao)外(wai)部(bu)負(fu)載(zai)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)電(dian)流(liu)影(ying)響(xiang)，從(cong)而(er)延(yan)長(chang)了(le)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。

借助這種方法，在具有高間歇性負載電流的應用中
，電池壽命可以延長 4 至 10 倍
，同時峰值輸出電流可提高達 25 倍。這些器件分為兩個係列，分別與二氧化錳鋰 (LiMnO2) 或亞硫酰氯鋰 (Li-SOCl2) 電池的特性相匹配（表 1）。

表 1：NBM5100/NBM7100 係列紐扣電池壽命增強器集成電路的特性。（表格來源：Art Pini）

這些電池增強器的內部結構相似（圖 2）。

圖 2：NBM5100A/B 和 NBM7100A/B 器件的框圖，顯示兩者在功能上相似。（圖片來源：Nexperia）

這些紐扣電池增強器的工作方式也相似（圖 3）。

圖 3：NBM5100/7100 在充電（右上圖）和有源負載（右下圖）周期的電壓和電流狀態曲線圖。（圖片來源：Nexperia）

電池增強器采用兩個高能效 DC-DC 轉zhuan換huan器qi來lai緩huan衝chong電dian池chi，使shi其qi免mian受shou短duan時shi高gao電dian流liu負fu載zai瞬shun變bian的de影ying響xiang。第di一yi個ge轉zhuan換huan階jie段duan
，在zai充chong電dian周zhou期qi使shi用yong升sheng壓ya轉zhuan換huan器qi。該gai周zhou期qi在zai重zhong負fu載zai電dian流liu周zhou期qi之zhi前qian啟qi動dong。充chong電dian時shi，能neng量liang從cong電dian池chi轉zhuan移yi到dao外wai部bu儲chu能neng電dian容rong器qi，後hou者zhe的de電dian壓ya (VCAP) 高於電池電壓。充電周期從電池汲取低的恒定電流 (IVBT)。由於其內阻，低充電電流會導致電池輸出電壓 (VVBT) 下降。電容器充電後
，降壓穩壓器 DC-DC 轉換器處理工作周期，將能量從儲能電容器傳輸到輸出 (VVDH)，從而以高達 90% 的效率在穩壓下提供高負載電流 (IVDH)。

請注意，充電周期消耗的電池電流 (IVBT) 保bao持chi極ji低di，而er工gong作zuo周zhou期qi消xiao耗hao的de電dian池chi電dian流liu則ze可ke以yi忽hu略lve不bu計ji。這zhe減jian少shao了le電dian池chi的de重zhong複fu性xing壓ya力li
，並bing擴kuo大da了le電dian池chi的de可ke用yong容rong量liang。當dang不bu處chu於yu充chong電dian或huo工gong作zuo周zhou期qi時shi

，輸shu出chu會hui降jiang至zhi靜jing態tai或huo待dai機ji狀zhuang態tai，消xiao耗hao電dian流liu低di於yu 50 nA。

該電池增強器 IC 采用自適應學習算法
，可監控負載脈衝特性，並智能優化電容器的能量傳輸和儲存。最多可保留 63 個負載配置文件以調整充電過程。

增強器工作模式

NBM5100/7100 器件以連續
、按需和自動模式（僅限 NBM5100A 和 NBM7100A 版本）運行。連續模式用於需要對瞬態負載做出即時響應的應用。儲能電容器充電，DC-DC 轉zhuan換huan器qi空kong閑xian。儲chu能neng電dian容rong器qi的de電dian壓ya受shou監jian控kong並bing根gen據ju需xu要yao刷shua新xin。收shou到dao工gong作zuo命ming令ling後hou，儲chu能neng電dian容rong器qi立li即ji提ti供gong穩wen壓ya輸shu出chu。向xiang負fu載zai提ti供gong所suo需xu的de能neng量liang後hou，儲chu能neng電dian容rong器qi重zhong新xin充chong電dian。充chong滿man電dian後hou，設she置zhi就jiu緒xu信xin號hao。

按需模式用於需要最長電池壽命的應用。該模式在待機狀態下啟動。按需模式利用 I/O 接口設置適當的位來啟動。儲能電容器在需要時充電，按照就緒信號的指示提供儲存的能量。

自動模式使用啟動信號來啟動按需工作，而不使用 I/O 接口。就緒信號指示儲能電容器已充滿電且可用。

NBM5100/NBM7100 係列使用串行 I/O 接口進行控製。NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 器件使用 I2C 接口，而 NBM5100BBQX 和 NBM7100BBQX IC 配備 SPI 接口。

這些電池壽命延長器可監控充電周期數，並報告紐扣電池的剩餘電量。這些器件通過串行接口提供的電量計寄存器報告電池充電狀態。

NBM5100/NBM7100 係列紐扣電池壽命延長器采用 SOT763-1 (DHVQFN16) 16 引腳封裝，工作溫度範圍為 -40 至 +85°C。

Nexperia 分別為 NBM5100ABQX 和 NBM7100ABQX 提供了 NEVB-NBM5100A-01 和 NEVB-NBM7100A-01 評估板。使用這些評估板，可以快速方便地評估電池增強器。可以將它們連接至正在開發的電路板，並通過 USB 連接從 PC 使用圖形用戶界麵 (GUI) 進行控製。

結語

NBM5100/NBM7100 電池增強器可以在具有高瞬態負載的無線 IoT 應用中延長紐扣鋰電池的使用壽命，若無此類增強器，這些應用可能需要使用大很多的 AA 或 AAA 電池。因此，這些電池增強器是縮小設備尺寸並降低成本的絕佳方式。

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