鋰離子電池為儲能過剩提供了有效的解決方案，滿足了能量收集應用中的峰值功率要求。然而，保持電池健康需要在充電和放電操作期間仔細注意電壓水平。通過使用包括Cymbet Corporation，Linear Technology，Maxim Integrated，Seiko Instruments，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商在內的合適IC，工程師可以簡化鋰離子儲能設備在能量采集設計中的應用。存儲設備仍然是能量收集應用的重要組成部分，必須應對波動能量的波動。在典型的能量采集設計（圖1）中，負載電路從鋰離子存儲設備獲得額外功率，包括Cymbet EnerChip系列等薄膜電池和FDK ML系列，Panasonic ML和VL系列等可充電紐扣電池和精工儀器MS系列。通過在低功耗期間存儲多余的能量，可充電設備在低環境能量期間或當由于大量MCU活動，周期性無線傳輸和其他功率密集型系統狀態導致功率需求達到峰值時提供準備好的電源。

圖1：鋰離子薄膜和可充電電池為無線MCU提供持續供電，滿足無線MCU的需求，例如Silicon Labs EZRadioPRO無線MCU系列（由Silicon Labs提供）這些基于鋰離子的存儲設備的健康和效率取決于在狹窄的窗口內嚴格維持充電電壓（圖2）。工作范圍之外的電壓可能導致電池劣化。實際上，即使接近安全工作范圍極限的充電電壓也可能導致電池容量的最終損失（圖3）。因此，充電管理電路對于確保這些存儲設備的最佳輸出和壽命至關重要。圖2：鋰離子電池需要在較窄的工作范圍內使用充電電壓（禮貌松下）。

圖3：即使在鋰離子電池的安全工作范圍內，接近該范圍極限的充電電壓也會導致容量隨時間的流失（圖片由Cymbet提供）。

充電管理解決方案

Li-ion電池管理電路通常依靠恒壓源來維持最佳充電電壓，并且負載斷開電路以防止鋰離子電池的過放電。雖然鋰離子電池可以使用恒流和恒壓充電的組合，但鋰離子電池制造商通常建議使用恒壓充電。因此，合適的充電電路可以簡單地包括線性穩壓器和二極管，以防止反向放電（圖4）。

電路設計人員有許多選項來實現負載斷開功能。設計人員可以將電池輸出與低功耗電壓參考源進行比較，例如德州儀器LM4051和Maxim Integrated MAX6037，它們提供鋰離子工作范圍內的輸出電壓。當電池電壓低于參考電壓時，電路可以使用FET開關（如Diodes Incorporated ZXMN2F30FH或Fairchild Semiconductor NDS8434）將電池與負載斷開。同樣，工程師可以使用由許多穩壓器IC提供的電源良好信號和欠壓鎖定（UVLO）信號來控制負載斷開開關。

圖4：最簡單的充電電路鋰離子電池包括一個線性穩壓器，用于維持適當的充電電壓，二極管具有極低的反向偏置泄漏，以防止電池通過電源放電（圖片由Cymbet提供）。

鋰離子充電管理IC集成管理鋰離子電池所需的關鍵充電和保護電路，并提供優化電池輸出和壽命所需的廣泛功能。例如，凌力爾特公司的LTC4071只需一個外部電阻即可提供完整的鋰離子電池管理解決方案（圖5）。當輸入電源被移除且電池電壓低于高電池輸出閾值時，LTC4071的電池消耗僅為550 nA，從而降低了功率受限能量收集應用中的功耗要求。

圖5：鋰離子電池管理IC，如凌力爾特公司的LTC4071，集成了充電和保護電路，只需極少的額外元件即可提供完整的鋰離子電池管理解決方案（由Linear Technology提供）。

在LTC4071中，如果外部鋰離子電池電壓低于工程師設置的低電池斷開（VLBD）電壓電平，則內部PFET（MP1）將電池與VCC斷開，從而保護電池免受負載過度放電連接到VCC或甚至連接到LTC4071自身的靜態電流。在斷開模式下，即使在工作溫度范圍的高端，電池漏電流也低于0.1 nA。為了保護外部鋰離子電池免于過充電，LTC4071通過分流高達50 mA的電流來降低充電電流當電池電壓接近浮動電壓時，遠離電池。雖然它使用集成的三級解碼器提供三個可編程浮動電壓（4.0，4.1或4.2 V），但LTC4071使用NTC熱敏電阻來檢測高溫并自動降低電池浮動電壓。

廣泛的功能》其他器件，如Maxim Integrated MAX1737和Seiko Instruments S-8261，提供用于控制外部FET器件柵極的輸出，用作充電電流源或截止開關。對于MAX1737，Maxim Integrated設計的部件使用外部雙N溝道MOSFET作為開關和同步穩壓器，提供充電電流或電壓。

Seiko S-8261使用獨立的外部FET進行過充電和過放電保護。這里，當外部鋰離子電池電壓超過規定的過充電檢測電壓電平時，器件關閉充電控制FET以停止充電。類似地，當電池電壓低于規定的過放電檢測電壓時，器件關閉放電控制FET。 S-8261針對每種情況使用檢測延遲定時器，以避免誤觸發。除了上述設備，工程師還可以找到具有廣泛功能并滿足各種功能和性能的鋰離子充電管理器件。要求。例如，Cymbet CBC3105在單個集成設備中結合了薄膜能量存儲和片上電源管理功能。 Maxim Integrated MAX8601和STMicroelectronics L6924和L6924D等其他器件具有先進的電源管理功能，旨在支持USB端口充電源，但仍可作為功率限制能量收集應用的有效解決方案。采用這些專用的鋰離子電荷管理器件用于能量收集應用，工程師可以使用專門的能量采集IC，這些IC也支持鋰離子電荷管理和保護。高度集成的IC，如德州儀器BQ25504和Maxim Integrated MAX17710，通過鋰離子電荷管理所需的全套功能擴展了其集成的能量收集功能。 TI BQ25504集成了高效DC/DC升壓轉換器，具有專門的能量收集功能，如最大功率點跟蹤（MPPT），可優化環境能源的功率輸出。此外，該器件還支持電池充電和保護，具有用于欠壓和過壓保護的可編程閾值（圖6）。

圖6：TI BQ25504具有三個可編程閾值電壓輸出，可以用于發出欠壓，過壓和良好電壓信號 - 這里顯示典型太陽能應用的電壓閾值設置（德州儀器提供）。

Maxim Integrated MAX17710設計用于各種環境能源，并集成了獨立功能，可通過過充電保護為外部電池充電，并通過過放電保護調節電池輸出。對于充電，該器件使用內部線性穩壓器將充電電壓維持在4.125 V。如果充電電源超過4.15 V，則器件開始限制電流，如果充電電源超過5.3 V，器件可以分流到50 mA接地，以避免過壓操作。對于輸出，MAX17710使用內部低壓差（LDO）穩壓器來調節電池輸出電壓。如果單元過放電，UVLO電路會在LDO穩壓器工作時禁用LDO穩壓器，或者如果已經禁止則會阻止LDO穩壓器啟動。

MAX17710解決了環境源和鋰離子時環境能量水平都會導致系統電壓崩潰的情況。存儲能夠提供足夠的電力來維持對負載的支持。在這種情況下，能量收集電路可以進入電力系統不斷嘗試支持負載但崩潰的狀態 - 僅重復嘗試并反復失敗。使用MAX17710時，如果以這種方式斷電，器件會禁用負載輸出，以防止無用的負載重啟嘗試，并保護單元免于過度放電。器件保持禁用狀態，直到它檢測到已將指定電壓電平的電源連接到系統。

結論

可充電鋰離子電池可為峰值負載提供電源，并且當環境源的能量輸出低于此值時有用的水平。但是，為了最大限度地延長電池壽命和輸出，工程師需要確保電池電壓水平保持在狹窄限定范圍內。設計人員可以使用專用的充電管理IC輕松地集成鋰離子電池管理功能，或者依靠集成在專用能量收集設備中的電池充電和保護功能。