鋰紐扣電池可靠性預(yù)測和應(yīng)用壽命估算

1、鋰紐扣電池可靠性預(yù)測和應(yīng)用壽命估算工業(yè)設(shè)備尤其是便攜式設(shè)備均離不開嵌入的鋰紐扣電池-系統(tǒng)的“源動力”。據(jù)此，鋰紐扣電池的制造廠商及產(chǎn)品又是層出無窮、品種繁多，從而導(dǎo)致使許多最終用戶在對其鋰紐扣電池的使用壽命和選用上不是茫茫然就是束手無策。為此，如何解決這致關(guān)系統(tǒng)可靠安全的重要問題及如何尋找出新方案、新產(chǎn)品等新途徑就成為其重中之重。目前國際上有不少著名制造廠商，能提供有備用鋰紐扣電池的非易失存儲器（NVIVHNonvolatileMEMORY）或?qū)崟r時鐘（RT。的應(yīng)用產(chǎn)品，以確保當(dāng)系統(tǒng)（微控制器、嵌入式等系統(tǒng)）掉電時保存數(shù)據(jù)或信息。這些產(chǎn)品的典型規(guī)格是在沒有系統(tǒng)電源的條件下提供10年的使用壽命。

2、因?yàn)樽罱K應(yīng)用是不確定的，所以對使用壽命的預(yù)測還是比較保守的。最終用戶針對鋰紐扣電池的具體應(yīng)用，應(yīng)評估（電池結(jié)構(gòu)/特征、電池測試/篩選、容量等）或預(yù)期出使用壽命，特別是對那些工作環(huán)境超出了典型范圍或所需應(yīng)用時間超過10年的用戶來說。必須了解這電池可靠性模型，這將有助于用戶單獨(dú)選購電池控制器，從而又將電池控制器與電池組裝在一起構(gòu)成性能價格比較高的鋰紐扣電池，也就解決了不必購買包含電池控制器和電池在內(nèi)的高成本模塊問題。本文論述了備用鋰紐扣電池應(yīng)用壽命估算及壽命對IC集成電路（指SRAM-靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器或RTC影響的有關(guān)問題。這兒指IC均屬于是由系統(tǒng)電源供電或鋰備用電池供電。為此，首先要說明為何選

3、用備用電池？為何選用備用電池眾所周知，系統(tǒng)斷電時，有多種保存數(shù)據(jù)的方案，當(dāng)對讀寫速度或周期數(shù)要求比較嚴(yán)格時，有備用電池的SRAM1一種較為可靠的替代方案。閃存或EEPRO闌樣提供NV（非易失）數(shù)據(jù)存儲，但在簡易性和速度指標(biāo)上存在不足。而有備用電池的SRAM,其主要缺陷是電池是一個消耗品，產(chǎn)品選擇必須慎重考慮電池容量并確定其產(chǎn)品最終的使用壽命。對于沒有系統(tǒng)電源供電同時要保持信息或計(jì)時功能，并需要提供一定的電能才能維持晶振工作，則用電池提供電流是非常適合的.IC集成電路所需電流如果IC（SRAM或RTC）B由電池供電，則需要在IC工作時的電流、使用壽命與電池容量之間加以匹配。購買電池和IC時，其數(shù)

4、據(jù)手冊將提供與IC負(fù)載相對應(yīng)的有關(guān)估算電池壽命的信息，如果購買集IC和電池于一體的模塊，則最終用戶應(yīng)依靠模塊廠商對模塊產(chǎn)品的適當(dāng)篩選來保證系統(tǒng)使用壽命的要求。半導(dǎo)體制造廠商為其所有電池供電產(chǎn)品制訂了測試條件，以保證在電池容量的允許范圍內(nèi)為最終器件提供10年的使用時間。而DallasSemiconductor公司對這種應(yīng)用的IC進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并利用先進(jìn)的處理工藝滿足低電流的需求。對于其它供貨商提供的高密度SRAM!作特殊的篩選才能滿足模塊使用壽命的要求。圖1來自于由鋰紐扣電池供貨商-松下公司提供的電池容量報(bào)告，圖中四條線代表最常用的電池尺寸（BRl225、BRl632、BR2330和BR3032）

5、。電池供應(yīng)商提供的額定電池容量（單位為mAH毫安時）與電池尺寸相對應(yīng)。電池結(jié)構(gòu)/特征在其需要有備用電池的模塊內(nèi)選用一次性鋰鈕扣電池，這些電池的額定電壓為3V,對系統(tǒng)典型工作電壓為2.7V來說，則該鋰鈕扣電池作為備用電源非常合適。電池電壓在放電狀態(tài)下保持穩(wěn)定平坦（見圖2所示），電池放電接近終止時仍能提供與新電池幾乎相同的電壓。平坦的放電曲線對于備用電池而言是極為理想的特性，但它為估算電池的剩余電量增添了難度。一次性鋰鈕扣電池具有較好的可預(yù)測性，它的開路電壓或內(nèi)部阻抗等關(guān)鍵參數(shù)的離散性極小，極小的離散性使電池廠商篩選電池時很容易設(shè)置電池檢測的條件，從而便于剔除有缺陷的電池，同時也有助于電池用戶鑒別

6、有故障的IC/電池系統(tǒng)。例如，電池電壓離散性或電壓與電池負(fù)載的對應(yīng)關(guān)系是已知的，則電池加載后的電池電壓可用以指示其電池的負(fù)載情況。如果電池負(fù)載與IC所需要的電流一致，則負(fù)載電壓的離散性極小。根據(jù)從外部測得的負(fù)載電壓可以檢測異常IC或電池，從而排除潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。電池測試/篩選電池制造商經(jīng)過100%勺測試使產(chǎn)品性能極其一致，但是，任何用戶為其系統(tǒng)選用電池時還需對電池作進(jìn)一步測試，以確保最終產(chǎn)品選用工作正常的電池。經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮Y選可以檢測出三種類型的缺陷：首先是那些被電池制造商的測試系統(tǒng)所遺漏的電池，這類電池最易檢測；第二類缺陷是低水平的內(nèi)部泄漏，這些電池可能經(jīng)過一段時間后才能顯現(xiàn)出它的內(nèi)部故障，

7、對于這類電池的檢測不僅要了解其合適的測試電平，還要預(yù)先了解其測試結(jié)果的離散性；第三類缺陷是電池用戶在處理或系統(tǒng)制造過程中產(chǎn)生的，由于電池容量是有限的，如果有意想不到的負(fù)載在短時間內(nèi)加到電池上，將會縮短電池使用壽命。應(yīng)該說一個周密的篩選程序的關(guān)鍵是在制造工序中對電特性進(jìn)行100%勺測試。由于電特性是可預(yù)知的，加載前和加載后測試電池電壓能夠判斷電池是否存在異常。此種篩選還可以識別那些非典型負(fù)載.除了電特性篩選，對電池進(jìn)行視覺抽檢有助于識別制造流程的變化，這些變化往往會導(dǎo)致漏電阻降低。關(guān)于電池可靠性模型與電池壽命計(jì)算可靠性模型電池是由一定數(shù)量并能夠完全反應(yīng)的活性成分組成的“平衡結(jié)構(gòu)”，參加電反應(yīng)的關(guān)

8、鍵成份是金屬鋰、陰極和電解液。電池廠商的目標(biāo)是在電池內(nèi)容人盡可能多的能量，由于電池內(nèi)部體積有限，當(dāng)電池成份嚴(yán)格按照正確的比例配置時可以達(dá)到電池的最大能量密度。任何成份的損耗都可能影響其它成份的電反應(yīng)。而”電池可靠性模型”主要考慮電池平衡結(jié)構(gòu)，以探尋導(dǎo)致關(guān)鍵成份產(chǎn)生損耗的因素。電池壽命計(jì)算由于電池是系統(tǒng)中的消耗品，當(dāng)把負(fù)載加到電池上時對電池壽命的制約是顯而易見的。基于一定負(fù)載的電池壽命很容易計(jì)算，即用電池容量（單位為毫安時）除以所需負(fù)載電流（單位為毫安）從而可得到電池使用壽命（小時）。確定電池壽命還需考慮電池負(fù)載的供電占空比。對于設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)來說，當(dāng)系統(tǒng)電源供電時電池是處于電隔離狀態(tài)，以防止電

9、池漏電。對于長期由主電源供電，只是短期內(nèi)依靠電池備份的系統(tǒng)而言，降低電池供電占空比可有效延長電池壽命。因?yàn)檫@些電池用于電流非常小，甚至是零電流的應(yīng)用，用戶還必須考慮其它可能會造成活性成份損耗的機(jī)制，如電解液通過卷筒式封裝泄漏，這種機(jī)制表現(xiàn)出溫度加速特性，活化能量近似為1.0eV（electronvolt-電子伏特）。而室溫下電池的電能損耗速率低于0.5%/每年，這時可以不考慮這種活性成份損耗機(jī)制。但隨著溫度升高使電解液有明顯損耗時就必須考慮。由于活性成份的平衡性，不必考慮電解液損耗是由電反應(yīng)造成還是由于溫度升高導(dǎo)致泄漏造成。當(dāng)電池沒有足夠的電解液繼續(xù)反應(yīng)時，電池也就不再提供電流。所以，在預(yù)測電

10、池使用壽命時，推薦使用有綜合考慮所需電能和溫度因素的并聯(lián)模型（見圖3所示）。有些模型分別衡量電氣或溫度損耗支路，如果不考慮電解液泄漏對電池壽命的影響，當(dāng)系統(tǒng)工作在室溫以上的溫度范圍時，將會過高估計(jì)電池的使用壽命。估算電池壽命從概念上與計(jì)算兩個并聯(lián)等效電阻相同，用戶可以控制IC消耗的功率是來自電池還是來自系統(tǒng)電源，所以，電流損耗支路包含了一個開關(guān)（如圖3所示）。當(dāng)IC由系統(tǒng)電源供電時（即Vcc=ON時，開關(guān)斷開），電流損耗對電池壽命的影響可以忽略。IC/電池系統(tǒng)制造商能夠?qū)ζ浣M成的元件在選擇和制作篩選上能進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行控制，有利于延長系統(tǒng)使用壽命.而最終用戶則根據(jù)實(shí)際條件對如何有效利用電池

11、能量進(jìn)行控制.最終用戶可以控制模型中的電氣和溫度損耗兩個支路，而負(fù)載對電池能量的消耗則由電池的供電占空比來控制。系統(tǒng)電源供電時，器件的內(nèi)部電池隔離電路能夠阻斷電池供電回路，禁止從電池吸收電流，可靠性模型中的電氣負(fù)載支路只有在系統(tǒng)工作在備用電池狀態(tài)時才起作用。系統(tǒng)環(huán)境溫度影響溫度加速支路，即電池自放電速率隨著溫度的升高而升高，見圖4所示，使電7&壽命縮短.為此，采用適當(dāng)?shù)闹评浯胧┯兄诮档碗姵販囟?，延長電池壽命。壽命計(jì)算舉例系統(tǒng)系統(tǒng)工作在室溫，100%由備用電池供電，室溫下電解液的揮發(fā)非常少，可以忽略，電池使用時間由IC的電流確定。1、關(guān)于電損耗支路*電池容量（BRl632）=120mA

12、h*IC吸收電流=1.2"A*占空比=100%性池壽命=（0.12Ah）/1.2XA）=100000小時=11.4年2、關(guān)于電解揮發(fā)支路*+25C電池的壽命=230年*計(jì)算：（230X11.4）/（230+11.4）=10.9年情況系統(tǒng)工作于+60C,50%勺時間由備用電池供電，分別考慮電能消耗或電解液揮發(fā)因素時，電池壽命大約為20年，兩種因素共同作用下電池壽命大約為10年。1、關(guān)于電消耗支路*電池容量（BRl632）=120mAh*IC吸收電流=1.2從A*電池壽命=（0.12AhXx50%）/（1.2X）=200,000小時=22.8年2、關(guān)于電解液揮發(fā)支路*電池于+60C的壽命

13、=19.1年*計(jì)算：（19.1X22.8）（19.1+22.8）=10.4年鋰紐扣電池選用上的新方案與新途徑集成電池控制器與鋰紐扣電池組裝應(yīng)用如果系統(tǒng)包括由備用電池供電的SRA雌RTC時，選用適當(dāng)?shù)碾姵乜刂破鞣浅Ｖ匾?，這些控制器在系統(tǒng)電源失效時能夠自動切換到電池供電，它們還提供反向充電保護(hù)功能，符合（美國）保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所或其它測試機(jī)構(gòu)的要求。當(dāng)不少廠商，如DallasSemiconductor公司能提供獨(dú)立的電池控制器，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)電池容量或布板要求選擇。獨(dú)立的電池控制器在適合特定應(yīng)用的同時也會額外增加系統(tǒng)成本。最終用戶不僅需要選擇和采購適當(dāng)?shù)碾姵?，而且制造流程也需要適應(yīng)特定的電池。受電

14、池容量的制約，制造過程中必須保證沒有任何負(fù)載施加到電池上。這就要求采用絕緣的或非導(dǎo)電的工具搬運(yùn)電池，然而，設(shè)計(jì)中的多數(shù)其它元件由于對ESD敏感，必須采用導(dǎo)電的工具搬運(yùn)。構(gòu)成鋰電池的材料限制了其溫度承受能力，回流焊會導(dǎo)致電池?fù)p壞，這就需要考慮電池的安裝方式，是利用機(jī)械托架裝在PC強(qiáng)上還是直接焊接在PC強(qiáng)上？機(jī)械托架可以通過自動設(shè)備和回流焊安裝在PCB板上，當(dāng)高溫處理完成后再裝載電池。采用機(jī)械托架可以避免溫度過高對電池的影響，但最終系統(tǒng)必須依靠機(jī)械接觸使電池固定到位。如果將電池焊接在PC強(qiáng)上，則需購買帶有接頭的電池，并在回流焊完成后再手工焊裝。值得注意的是，利用電池控制器和單獨(dú)的電池時還需考慮制造過程的清潔問題，即使是一點(diǎn)離子污染物的痕跡也能產(chǎn)生電量泄漏通路，作用在電池上的負(fù)載等同于IC負(fù)載，將會大大縮短電池壽命。電池模塊產(chǎn)品采用包含了電池控制器和電池的模塊產(chǎn)品能夠避免以上討論的問題，模塊制造商具有符合要求的工藝，在安裝電池時不會對其造成損傷，模塊結(jié)構(gòu)也有利于隔離電池與最終用戶的應(yīng)用環(huán)境，避免離子污染問題，有效延長電池壽命。止匕外，DallasSemiconductor公司的模塊具有“休眠模式，在系統(tǒng)首次上電之前隔離電池。這一特點(diǎn)允許模塊裝配并完全測試后再將負(fù)載斷開，使這些產(chǎn)品能夠在不從電池吸取任何電流的條件下長期保存。值得注意的是，電池模塊產(chǎn)品比集成電池控制器與鋰紐扣電池應(yīng)用的組