如何實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備及小型系統(tǒng)的安全充電

12/12如何實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備及小型系統(tǒng)的安全充電物聯(lián)網(wǎng)(IoT)影響所及幾乎包括現(xiàn)代生活的各個(gè)層面。通過收集和分析巨量數(shù)據(jù)，我們可以管理自己的健康、減少家庭和工作中的能源消耗、監(jiān)控和改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境等，以及其他許多面向。

物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用是如此多元，不過它們還是有一些共通的關(guān)鍵特性。負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)的裝置必須夠小、易用且?guī)缀跻繒r(shí)每刻都在工作。這些要求在可穿戴設(shè)備中可能是最顯而易見的，目前全球已有數(shù)百萬的人們使用可穿戴設(shè)備來追蹤自己的活動(dòng)、監(jiān)測(cè)并改善自己的健康。

為了收集這些必要的數(shù)據(jù)，可穿戴設(shè)備必須時(shí)常使用，因此體積必須夠小以及夠舒適，而且必須要能夠持續(xù)工作很長(zhǎng)的時(shí)間。智能家庭感測(cè)節(jié)點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也面對(duì)相同的要求。

這就引發(fā)了如何供電給這些設(shè)備的問題。最理想的方式是能直接從所處環(huán)境中獲取能源，如此它們就能擁有源源不斷的電力。雖然在降低功耗及改善能量采集方面已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，然而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想仍有一些距離。在可預(yù)見的未來，我們?nèi)孕枰鲑囯姵刈鰹橹饕娫?。特別是為了盡量降低數(shù)十億裝置的電力浪費(fèi)，可充電電池可能仍是未來數(shù)年的電源選擇。

可穿戴設(shè)備的首選

可穿戴設(shè)備的尺寸受到嚴(yán)格限制，而且為了長(zhǎng)時(shí)間穿戴也必須極其舒適，這意謂著它們必須夠輕，所以電池必須盡可能的小。還有，根據(jù)IDC和GMI的多項(xiàng)研究顯示，電池壽命是消費(fèi)者購買電池供電便攜設(shè)備時(shí)考慮的首要因素。因此，產(chǎn)品的成功與否，高電池容量是關(guān)鍵所在。

為了同時(shí)滿足這兩方面的要求，使得電池所面臨的挑戰(zhàn)提升到另一個(gè)層次。幸運(yùn)的是，鋰離子電池?fù)碛性S多足以克服此一挑戰(zhàn)的特性，使其成為可穿戴應(yīng)用的理想選擇。

首先，它們提供高能量密度，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇更輕巧的電池，同時(shí)還能提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。在此同時(shí)，相較于鎳氫(NiMH)電池和鎳鎘(NiCd)電池的操作電壓是1.2V，鋰離子電池的操作電壓一般是3.7V，這就意謂鋰離子電池需要更少的單電池(cell)數(shù)量，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更小、更輕的系統(tǒng)。再者，它們還具有比鎳基電池更低的自放電率：每月約2%，相形之下，NiMH和NiCd則是每天高達(dá)5%。因此所需充電次數(shù)較少，而且長(zhǎng)時(shí)間未工作后，可立即使用的可能性也較高——這讓系統(tǒng)更便于使用。

當(dāng)然，所有技術(shù)都有其不足之處。例如，相較于鎳基充電電池，鋰離子電池的制造較為復(fù)雜，價(jià)格也比較高。然而，隨著產(chǎn)品大量生產(chǎn)，它的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和持續(xù)的技術(shù)進(jìn)展正快速降低成本。

正如近日新聞標(biāo)題所突顯的，鋰離子電池也具有更高的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。它們使用易燃的電解質(zhì)，如果充電電壓太高或太低，都可能導(dǎo)致電池著火或爆炸。大部份的鋰離子電池具有內(nèi)部保護(hù)電路，就某種程度而言可以防止過壓或欠壓。然而，相較于鎳基電池，鋰離子電池仍需要更精密的充電程序。

充電的挑戰(zhàn)

為了避免這些安全問題，鋰離子電池需要恒定電流(CC)、恒定電壓(CV)的充電過程。在這個(gè)過程中，電池一開始會(huì)以固定的電流充電，直到它達(dá)到設(shè)定電壓。然后，此充電電路會(huì)切換至恒定電壓模式，提供必要的電流以維持電壓的設(shè)定值。

電流和電壓級(jí)的選擇必須小心平衡，以取得最佳的結(jié)果。利用較高電壓充電能增加電池容量，然而，過高的電壓可能會(huì)對(duì)電池施加壓力或過度充電，導(dǎo)致永久性損壞、不穩(wěn)定和危險(xiǎn)。同樣的，較高的充電電流可以加速充電，但對(duì)電池容量會(huì)有影響：將充電電流減少30%可讓電池儲(chǔ)存的電荷增加達(dá)10%。

一般來說，充電電流會(huì)被設(shè)定為電池容量(電池可供電一小時(shí)的最大電流)的一半，電壓則設(shè)定為每電池單元4.2V。然而，已經(jīng)知道的是，使用稍低的電流和電壓值可以減少電池的老化，使其能在更久的充電周期中保持更高的充電容量。

確保安全性

因?yàn)檫@樣的復(fù)雜性，充電方案必須要能夠密切監(jiān)測(cè)充電電流和電壓，并且提供穩(wěn)定的控制電路，以期在充電周期的適當(dāng)時(shí)點(diǎn)維持適當(dāng)數(shù)值(亦即在第一階段保持電流恒定，以及在第二階段保持電壓恒定)。

此外，充電方案也必須根據(jù)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面測(cè)試。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測(cè)試條件范圍很廣，比起鎳基電池充電的要求更多，并且具有額外的電池特定測(cè)試。

JEITA規(guī)范

日本電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JEITA)已發(fā)展出說明鋰離子電池使用和充電的規(guī)范。雖然此規(guī)范僅是準(zhǔn)則，而非認(rèn)證組織所擬定的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，但此規(guī)范已獲產(chǎn)業(yè)普遍接受，有助于確保鋰離子電池的使用安全。

JEITA規(guī)范針對(duì)安全充電定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)及介于兩者之間的三種溫度區(qū)間(低、中和高)。請(qǐng)見圖1。

圖1：JEITA規(guī)范針對(duì)鋰離子電池安全充電所訂定的溫度范圍。

針對(duì)每一溫度區(qū)間定義最大安全電流。?低溫區(qū)間：最大電流是電池容量的50%?標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)間：最大電流是電池容量的70%?低溫區(qū)間：最大電流是電池容量的60%

圖2顯示這些安全電流及其對(duì)應(yīng)的安全電壓區(qū)域。

圖2：根據(jù)JEITA規(guī)范鋰離子電池充電的安全電流和電壓。

采用DA1468x系列實(shí)現(xiàn)安全充電

可穿戴設(shè)備以及其他許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸及重量都受到嚴(yán)格限制。為了協(xié)助確保安全的電池充電，同時(shí)符合小體積的要求，DialogSmartBondDA1468x系統(tǒng)單芯片(SoC)的整合型電池管理功能(具備一些外部組件和鏈接)可充分支持JEITA規(guī)范。

此功能的核心是靈活的CC/CV充電算法。支持200μA至400mA的電流，此算法允許對(duì)具有一定容量范圍的電池進(jìn)行充電。圖3顯示DA1468xSoC如何連接至電池以進(jìn)行充電。

圖3：范例為具有DialogDA14680或DA14681的鋰離子電池充電電路。

此算法定義四個(gè)不同的充電階段：預(yù)充電、恒定電流、恒定電壓和電壓監(jiān)測(cè)。

充電周期

在偵測(cè)到輸入電壓后，充電隨即開始。如果電池嚴(yán)重耗盡(例如電壓小于3V)，則算法會(huì)啟動(dòng)預(yù)充電階段。在這個(gè)階段，電池是以低電流(大約電池容量的10%)進(jìn)行“預(yù)充電”，直到電池已準(zhǔn)備好接受完整的充電電流。這能防止過熱。

一旦電池電壓達(dá)到適當(dāng)?shù)乃剑惴〞?huì)切換至恒定電流階段。電池以更高的電流(達(dá)到電池容量)充電，直到電壓達(dá)到4.2V(標(biāo)稱值)。此時(shí)，充電器進(jìn)入恒定電壓階段，以避免過充電的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)階段，電壓保持在4.2V，而電流下降到約電池容量的10%。從恒定電流到恒定電壓的轉(zhuǎn)變是漸進(jìn)且平順的，以避免損壞電池。

此時(shí)電池已充滿電，如果它保持連接，則充電器進(jìn)入電壓監(jiān)測(cè)階段，并提供周期性充電電荷以抵消電池的自放電。這通常是在電池的開放電路電壓下降到4.0V以下時(shí)完成。

圖4：DialogDA14680和DA14681的充電周期。

在此基本周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可調(diào)整一些參數(shù)以設(shè)定充電程序，包括：?預(yù)充電電流(應(yīng)設(shè)定為10%;亦即介于1和15mA)?預(yù)充電電壓Vpcv(應(yīng)設(shè)定為3.05V)?預(yù)充電定時(shí)器(默認(rèn)值=15分鐘)?恒定充電電流Icc(應(yīng)設(shè)定為70%)?充電電壓Vfloat(范圍為4.2–4.6V)?恒定電流(CC)定時(shí)器(默認(rèn)值=180分鐘)?恒定電壓(CV)定時(shí)器(默認(rèn)值=360分鐘)

內(nèi)建保護(hù)功能

為了協(xié)助確保安全，DA14680和DA14681提供許多內(nèi)建保護(hù)功能，以防止因非標(biāo)準(zhǔn)充電情況所造成的問題。包括針對(duì)以下問題的防護(hù)：?欠電壓放電?過電壓充電?過電流充電?預(yù)充電、恒定電流和恒定電壓階段的超時(shí)?低及高電池溫度(使用外部負(fù)溫度系數(shù)NTC和連接)

強(qiáng)烈建議電池應(yīng)具有自身的內(nèi)部保護(hù)，以防止過壓充電、欠壓放電和過電流放電/充電。此外，電池必須具有內(nèi)部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器，且應(yīng)該連接至DA14680或DA14681的NTC接腳。此接腳也應(yīng)該連接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入(例如ADC5)。

安全、便利和可靠的可穿戴設(shè)備

鋰離子技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更小巧的電池且具更大的容量，協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員克服外觀尺寸的限制，并提供更長(zhǎng)的電池壽命，而這正是消費(fèi)者所期盼的。它們擁有更高的工作電壓，這意味著需要的電池單元更少，能進(jìn)一步縮小系統(tǒng)尺寸并提升設(shè)計(jì)