Batterie-Booster-ICs verlängern auf elegante Weise die Lebensdauer von Lithium-Knopfzellen in Wireless-Anwendungen

Das Internet der Dinge (IoT) hat die Verbreitung von drahtlosen Sensoren beschleunigt. Ob für den Verbrauchermarkt, die Medizintechnik, Industrie oder Landwirtschaft, diese Sensoren müssen klein und leicht sein und eine lange Batterielebensdauer haben. Außerdem werden die Stromquellen bei diesen Geräten im Sende- und Empfangsbetrieb zeitweise mit hohem Strom belastet. Beispielsweise können Sendebursts 100 Milliampere (mA) verbrauchen, während der Empfangsbetrieb 10 mA verbrauchen kann, mit viel längeren Perioden des Schlafmodus mit niedrigeren Strömen im Mikroampere-Bereich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Lastprofil eines typischen drahtlosen Geräts zeigt kurze Intervalle mit hohem Strombedarf für den Sende- (100 mA) und Empfangsbetrieb (10 mA) und viel längere Perioden mit geringerem Strombedarf für den Ruhemodus. (Bildquelle: Nexperia, geändert vom Autor)

Die Dauer des Sende- oder Empfangsbetriebs liegt in der Regel im Bereich von zehn Millisekunden, während das Gerät im Allgemeinen Hunderte von Sekunden im Ruhezustand verbleibt. Obwohl der durchschnittliche Strom aufgrund der kurzen Einschaltdauer niedrig ist, stellen die hohen Spitzenströme ein Problem dar.

Lithium-Knopfzellenbatterien sind klein und haben eine hohe Energiedichte, aber die Versorgung mit Strömen über 10 mA kann ihre Lebensdauer erheblich verkürzen. Außerdem haben sie einen relativ hohen Innenwiderstand und sind bei der Versorgung mit diesen höheren Strömen ineffizient. Eine neue Knopfzelle hat zum Beispiel einen Innenwiderstand von etwa 10 Ohm (Ω). Eine Stromstärke von 100 mA führt zu einem Spannungsabfall von 1 Volt über dem Innenwiderstand der Zelle. Bei dieser hohen Belastung sinkt durch die chemische Reaktionsgeschwindigkeit der Zelle auch die Ausgangsspannung. Außerdem steigt mit dem Alter der Zelle auch der Innenwiderstand. Eine mögliche Alternative ist die Verwendung von Alkalibatterien. Diese haben einen höheren Spitzenstrom, sind aber deutlich größer als Knopfzellen.

Booster verlängert die Lebensdauer von Knopfzellen

Nexperia hat eine clevere Lösung zur Unterstützung der Knopfzelle entwickelt. Die Familie der Booster-ICs zur Erhöhung der Lebensdauer von Knopfzellen isoliert Knopfzellen von den hohen Stromanforderungen der HF-Schaltung. Auf diese Weise verlängern sie die Lebensdauer der Zellen in drahtlosen Sensoranwendungen und ermöglichen kleinere und leichtere Gehäuse mit hervorragender Batterielebensdauer.

Die Booster verwenden zwei DC/DC-Wandlerstufen. Die erste Stufe entnimmt der Knopfzelle Energie mit niedrigem Strom, um ein kapazitives Speicherelement auf eine höhere Spannung als die der Batterie aufzuladen. Sobald der Speicherkondensator aufgeladen ist, versorgt der zweite DC/DC-Wandler die intermittierende Last bei Bedarf mit einer geregelten Ausgangsspannung. Die Knopfzellenbatterie ist nie dem hohen Strom ausgesetzt, der von der externen Last gefordert wird, was die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Mit diesem Ansatz kann die Lebensdauer der Batterien in Anwendungen mit hohem intermittierendem Laststrom um das Vier- bis Zehnfache erhöht werden, während der Spitzenausgangsstrom um das 25-fache steigt. Es gibt zwei Bauteilfamilien, die auf die Eigenschaften von Lithium-Mangandioxid- (LiMnO₂) oder Lithium-Thionylchlorid-Batterien (Li-SOCl₂) abgestimmt sind (Tabelle 1).

Tabelle 1: Merkmale der Familien NBM5100/NBM7100 von Booster-ICs zur Erhöhung der Lebensdauer von Knopfzellenbatterien. (Tabellenquelle: Art Pini)

Die Batterie-Booster sind im Inneren ähnlich aufgebaut (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Blockdiagramme der Bauteile NBM5100A/B und NBM7100A/B zeigen, dass sie funktionell ähnlich sind. (Bildquelle: Nexperia)

Auch die Funktionsweise dieser Knopfzellen-Booster ist ähnlich (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dargestellt sind Diagramme des Spannungs- und Stromstatus des NBM5100/7100 für den Ladezyklus (oberes rechtes Diagramm) und den aktiven Lastzyklus (unteres rechtes Diagramm). (Bildquelle: Nexperia)

Der Zellbatterie-Booster verwendet zwei hocheffiziente DC/DC-Wandler, um die Batterie vor kurzzeitigen Lasttransienten mit hohem Strom zu schützen. In der ersten Umwandlungsstufe wird während des Ladezyklus ein Aufwärtswandler verwendet. Dieser Zyklus wird vor einer Periode mit hohem Laststrom eingeleitet. Beim Laden wird Energie von der Batterie auf einen externen Speicherkondensator übertragen, dessen Spannung (V_CAP) höher ist als die der Batteriezelle. Der Ladezyklus entnimmt der Batterie einen niedrigen Konstantstrom (I_VBT) . Aufgrund seines Innenwiderstands führt der niedrige Ladestrom zu einem Abfall der Batterieausgangsspannung (V_VBT). Wenn der Kondensator geladen ist, übernimmt der Abwärtsregler des DC/DC-Wandlers den aktiven Zyklus und überträgt die Energie aus dem Speicherkondensator an den Ausgang (V_VDH), wodurch ein hoher Laststrom (I_VDH) bei einer geregelten Spannung mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % bereitgestellt wird.

Beachten Sie, dass der entnommene Batteriestrom (I_VBT) während des Ladezyklus sehr niedrig ist und während des aktiven Zyklus vernachlässigbar bleibt. Dies verringert die wiederholte Belastung der Batterie und verlängert die nutzbare Kapazität der Zelle. Wenn sich der Ausgang nicht im Lade- oder Aktivitätszyklus befindet, geht er in den Ruhe- oder Standby-Zustand über und verbraucht weniger als 50 Nanoampere (nA).

Die Zellbatterie-Booster-ICs verwenden einen adaptiven Lernalgorithmus, der die Lastimpulseigenschaften überwacht und die Energieübertragung und -speicherung auf den Kondensator intelligent optimiert. Zur Anpassung des Ladevorgangs können bis zu 63 Lastprofile gespeichert werden.

Booster-Betriebsarten

Die Komponenten NBM5100/7100 arbeiten im kontinuierlichen, bedarfsgesteuerten und automatischen Modus (nur NBM5100A- und NBM7100A-Versionen). Der Dauermodus wird bei Anwendungen verwendet, die eine sofortige Reaktion auf die transiente Last erfordern. Der Speicherkondensator wird aufgeladen und der DC/DC-Wandler ist im Leerlauf. Die Spannung am Speicherkondensator wird überwacht und bei Bedarf aufgefrischt. Bei Erhalt eines aktiven Befehls ist der geregelte Ausgang des gespeicherten Kondensators sofort verfügbar. Der Speicherkondensator wird wieder aufgeladen, nachdem er die benötigte Energie an die Last abgegeben hat. Wenn der Akku vollständig aufgeladen ist, wird das Bereitschaftssignal gesetzt.

Der On-Demand-Modus wird für Anwendungen verwendet, die eine maximale Batterielaufzeit erfordern. Er startet im Standby-Zustand. Der On-Demand-Modus wird über die I/O-Schnittstelle eingeleitet, um das entsprechende Bit zu setzen. Der Speicherkondensator wird bei Bedarf aufgeladen, so dass die gespeicherte Energie zur Verfügung steht, was durch das Bereitschaftssignal angezeigt wird.

Im Automatikmodus wird das Startsignal verwendet, um den bedarfsgesteuerten Betrieb ohne Verwendung der I/O-Schnittstelle einzuleiten. Das Bereitschaftssignal zeigt an, dass der Speicherkondensator vollständig geladen und verfügbar ist.

Die Serie NBM5100/NBM7100 wird über serielle I/O-Schnittstellen gesteuert. Die Bauteile NBM5100ABQX und NBM7100ABQX verwenden eine I²C-Schnittstelle, während die ICs NBM5100BBQX und NBM7100BBQX mit SPI-Schnittstellen ausgestattet sind.

Diese Batterie-Booster überwachen die Anzahl der Ladezyklen und melden die verbleibende Ladung der Knopfzelle. Sie melden den Ladezustand der Batterie über ein Ladezustandsregister, das über die serielle Schnittstelle verfügbar ist.

Die Batterie-Booster der Serie NBM5100/NBM7100 für Knopfzellenbatterien sind in einem 16-Pin-Gehäuse SOT763-1 (DHVQFN16) erhältlich und haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85°C.

Nexperia bietet die Evaluierungsboards NEVB-NBM5100A-01 und NEVB-NBM7100A-01 für den NBM5100ABQX bzw. den NBM7100ABQX an. Die Boards ermöglichen eine schnelle und bequeme Evaluierung der Batterie-Booster. Sie können an eine Entwicklungsplatine angeschlossen und von einem PC über eine USB-Verbindung mit Hilfe einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) gesteuert werden.

Fazit

Die Batterie-Booster NBM5100/NBM7100 verlängern die Lebensdauer von Lithium-Knopfzellenbatterien in drahtlosen IoT-Anwendungen mit hoher transienter Belastung, die andernfalls viel größere AA- oder AAA-Batterien verwenden müssten. Damit sind sie eine elegante Möglichkeit, die Größe der Geräte zu reduzieren und gleichzeitig die Kosten zu senken.