現在の携帯型電子機器のバッテリー技術について簡単に説明してください

序文

今日のポータブル電子バックアップバッテリ技術には、電力検出アルゴリズム、バッテリ充電アルゴリズム、およびバッテリ充電技術が含まれます。ご存知のとおり、二次電池の化学反応には、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、リチウムイオン、リチウムポリマーの4つのプログラムがあります。ポータブル電子機器として、これら4つのバッテリープログラムには独自の特性がありますが、エネルギー密度と安全性の点で優れています。開発と実践により、リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の利点は、ラップトップやハードディスクベースのPMPなどの小型で長時間動作するデバイスに理想的になっていることが示されています。携帯型電子機器のエンジニアにとって、携帯型電子機器におけるバッテリー技術の正しい選択と適用は最も重要です。この記事では、これについて説明し、アプリケーション例を分析します。

1.トリクル充電、急速充電、安定充電のためのバッテリー充電アルゴリズム

最終的なアプリケーションのエネルギー要件に応じて、バッテリーパックには、主流の電源アダプター（直接アダプター、USBインターフェイス、または自動車充電装置）を備えた、さまざまな構成の最大4つのリチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリーセルが含まれる場合があります。これらのバッテリーパックは、セルの数、セルの構成、または電源アダプターの種類に関係なく、同じ充電特性を備えています。したがって、それらの充電アルゴリズムは同じです。リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池に最適な充電アルゴリズムは、トリクル充電、急速充電、安定充電の3つのフェーズに分けることができます。

トリクル充電。深放電セルの充電に使用されます。セル電圧が約2.8ボルトを下回ると、0.1℃の定電流で充電されます。

急速充電。セル電圧がトリクル充電のしきい値を超えると、急速充電のために充電電流が増加します。急速充電電流は摂氏1.0度未満である必要があります。

安定した電圧。急速充電プロセス中、セル電圧が4.2 vに達すると、定常電圧フェーズが始まります。このとき、充電は最小充電電流またはタイマー、あるいはその2つの組み合わせによって中断することができます。最小電流が摂氏約0.07度を下回ると、充電が中断される可能性があります。タイマーは、事前設定されたタイマーに依存して割り込みをトリガーします。

高度なバッテリー充電器には通常、追加の安全機能があります。たとえば、セルの温度が特定のウィンドウ（通常は0°C〜45°C）を超えると、充電が一時停止されます。一部の非常にローエンドのデバイスに加えて、現在のリチウムイオン/リチウムポリマーバッテリー充電ソリューションは、より良い充電のためだけでなく、充電特性に従って充電するために統合されているか、外部コンポーネントを備えています。安全のためでもあります。

2.リチウムイオン/ポリマー電池充電プログラム

リチウムイオン/ポリマー電池の充電方式は、セル数、セル構成、電力タイプによって異なります。現在、3つの主要な充電オプションがあります。リニア、バック（バック）スイッチ、およびSEPIC（ブーストおよびバック）スイッチです。

2.1線形スキーム

完全に充電されたセルに十分なヘッドルームを加えた後、充電器の入力電圧が開回路電圧よりも大きい場合、特に摂氏1.0度の急速充電電流が1を大きく超えない場合は、線形スキームを使用するのが最適です。たとえば、MP3プレーヤーには通常バッテリーが1つしかなく、容量は700〜1500mahの範囲です。フル充電の開回路電圧は4.2vです。MP3プレーヤーの電源は通常AC / DCアダプターまたはUSBインターフェースであり、その出力は通常の5vです。現時点では、リニアソリューション充電器が最もシンプルで最も効率的なソリューションです。図2は、線形電圧レギュレーターと同じ基本構造を持つリチウムイオン/ポリマーバッテリー充電方式の線形方式を示しています。

リニアソリューション充電器のアプリケーション例-デュアル入力Li +充電器とスマートパワーセレクターMAX8677A.MAX8677Aは、充電式シングルセルLi +バッテリーポータブルデバイスから電力を供給するためのSmartPowerSelectorを内蔵したデュアル入力USB / ACアダプターリニアチャージャーです。充電器は、バッテリーと外部電源の充電およびスイッチング負荷に必要なすべての電源スイッチを統合し、外部MOSFETの必要性を排除します。 MAX8677Aは、スマートフォン、PDA、ポータブルマルチメディアプレーヤー、GPSナビゲーションデバイス、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどのポータブルデバイスに最適です。

MAX8677Aは、個別のUSBおよびACアダプター電源入力または2つの入力のいずれかから操作できます。スマートパワーセレクターを外部電源に接続すると、システムをバッテリーから切り離したり、深放電バッテリーに接続したりできます。 Smart Power Selectorは、バッテリーをシステム負荷に自動的に切り替え、システムの未使用の入力電力セクションを使用してバッテリーを充電し、限られたUSBとアダプターの入力電力を利用します。統合された電源スイッチを含む、必要なすべての電流検出回路は、オンチップに統合されています。 DC入力電流制限は最大2まで調整可能ですが、DCおよびUSB入力は100 mA、500 mA、およびUSBサスペンドモードをサポートします。充電電流は最大1.5まで調整でき、幅広いバッテリ容量をサポートします。 MAX8677Aの他の機能には、温度調整、過電圧保護、充電ステータス、および障害出力、電力良好監視、バッテリサーミスタ監視、および充電タイマーが含まれます。 MAX8677Aは、拡張温度範囲（-40〜 + 85°C）で指定された、省スペースで熱的に強化された4mm x 4mmの24ピンTQFNパッケージで提供されます。

2.2米ドル（バック）切り替えプログラム

摂氏1.0度で充電される電流が1より大きい場合、または入力電圧がセルの全開回路電圧よりもはるかに高い場合は、降圧または降圧ソリューションの方が適しています。たとえば、ハードディスクベースのPMPでは、通常、シングルセルリチウムイオンバッテリーが使用されます。フルフィル開回路電圧は4.2 vで、容量は1200〜2400mahです。現在、PMPは通常カーキットで充電され、その出力電圧は9〜16 vです。入力電圧とバッテリー電圧の電圧差が比較的大きい（最小4.8 v）と、線形スキームの効率が低下します。この非効率性は、1.2を超える1 cの急速充電電流と相まって、深刻な熱問題を引き起こす可能性があります。この状況を回避するために、Barkerスキームが使用されます。図3は、リチウムイオン/ポリマー電池のバーカー充電器スキームの概略図です。基本的な構造は、降圧（降圧）スイッチング電圧レギュレータとまったく同じです。

2.3 sepic（ブーストおよびバック）スイッチング方式

3つまたは4つのリチウムイオン/ポリマーセルを直列に使用する一部のデバイスでは、充電器の入力電圧が常にバッテリー電圧よりも高いとは限りません。たとえば、ラップトップは3セルのリチウムイオンバッテリーパックを使用し、開回路電圧で完全に充電されます。これは12.6v（4.2 vx3）で、容量は1800mahから3600mahです。入力電源は、出力電圧が16vのAC / DCアダプター、または出力電圧が9〜16 vのカーキットのいずれかです。明らかに、リニア方式もバック方式もこのバッテリーパックを充電できません。これには、出力電圧がバッテリー電圧よりも高い場合、および出力電圧がバッテリーよりも低い場合にも機能するSEPICスキームが必要です。

3.電気検出アルゴリズム

多くのポータブル製品は、電圧測定を使用してバッテリー残量を推定しますが、バッテリー電圧とバッテリー残量の関係は、電力、温度、およびバッテリーの経年劣化によって変化するため、この方法は誤りです。率は最大50％にすることができます。より長持ちする製品に対する市場の需要は増え続けているため、システム設計者はより正確なソリューションを必要としています。残量ゲージを使用してバッテリーの充電量または消費電力を測定すると、幅広いアプリケーション電力レベルでバッテリー電力をより正確に見積もることができます。

3.1電力検出アルゴリズムのアプリケーション例の1つである、完全に機能するシングルおよびデュアルバッテリーポータブルアプリケーションバッテリーパックの設計

電気検出の原理。より良い残量ゲージには、少なくともバッテリー電圧、バッテリーパックの温度と電流、測定方法が必要です。マイクロプロセッシング9;実績のある電力検出アルゴリズムのセット。 bq2650xとbq27x00は、電圧と温度を測定するアナログ-デジタルコンバーター（ADC）と、電流と電荷の検出を測定するアナログ-デジタルコンバーターを備えた完全に機能する残量ゲージです。これらの残量ゲージには、TexasInstrumentsの燃料検出アルゴリズムの実行を担当するマイクロプロセッサもあります。これらのアルゴリズムは、リチウムイオン電池の自己放電、経年劣化、温度、および放電率を補正します。チップに含まれるマイクロプロセッサは、ホストシステムプロセッサのこれらの計算負荷を軽減します。残量ゲージは、バッテリー残量などの情報を提供できます。 Bq 27x00シリーズ製品は、残りのランタイム（RunTimetoEmpty）も提供します。ホストはいつでも残量ゲージを照会し、リードインジケーターまたはオンスクリーンディスプレイを介してバッテリー情報をユーザーに通知できます。残量ゲージは使いやすく、システムプロセッサは12 corHDQ通信ドライバで構成するだけで済みます。

バッテリーパックの回路説明。図4（a）は、識別機能ICを備えた代表的なバッテリパックのアプリケーション回路を示しています。使用するパワーメータICにもよりますが、バッテリパックには少なくとも3〜4個の外部端子が必要です。 VCCピンとバットピンはバッテリー電圧に接続され、Cに電力を供給してバッテリー電圧を測定します。低抵抗のセンス抵抗がバッテリーのアースに接続されているため、燃料計の高インピーダンスSRPおよびSRN入力でセンス抵抗の両端の電圧を監視できます。センス抵抗を流れる電流は、バッテリーが充電または放電している充電量を決定するために使用できます。設計者が抵抗値を検出することを選択する場合、抵抗の両端の電圧が100mvを超えてはならないことを考慮する必要があります。抵抗値が低すぎると、電流が小さいときにエラーが発生する可能性があります。ボードレイアウトでは、SRPおよびSRNからセンス抵抗への接続がセンス抵抗端子にできるだけ近くなるようにする必要があります。つまり、ケルビンで配線する必要があります。

HDQピンには、バッテリーパックがポータブルデバイスから切断されたときにゲージがスリープを有効にできるように、ホストまたはメインアプリケーションに配置する必要がある外部プルアップ抵抗が必要です。プルアップ抵抗値には10kΩを使用することをお勧めします。

バッテリーパックの識別。安価な偽造電池の問題はますます深刻になっています。これらのバッテリーには、OEMが要求する安全保護回路が含まれていない場合があります。したがって、純正のバッテリーパックには、図4（a）に示す識別回路が含まれている場合があります。バッテリーを認証する場合、ホストはICを含むバッテリーパック（巡回冗長検査（CRC）として機能するbq26150）に照会値（チャレンジ）を送信します。バッテリーパックに含まれるCRCはこれに基づきます。クエリ値とIC内。CRC値を計算するためにCRC多項式が作成されます。CRCはホストベースのクエリコマンドとICで秘密に定義されたCRC多項式に基づいています。ホストはまた、CRC値の計算をバッテリーパックは、認証が成功したかどうかを判断します。識別により、bq26150は、ホストと燃料ゲージ間のデータライン通信が正常であることを確認するための指示を発行します。バッテリー接続が中断または再接続されると、認証プロセス全体が実行されます。繰り返されます。

3.2さまざまなゼネラルエレクトリックメーターに適用できる新しいタイプの集積回路の例

今日、多くのメーカーが幅広い燃料計ICを提供しており、ユーザーはそこから適切な機能デバイスを選択して、製品の価格/性能比を最適化できます。燃料計を使用して測定されたバッテリーパラメータを保存するこの分割アーキテクチャにより、ユーザーはホスト内で燃料計アルゴリズムをカスタマイズできます。これにより、バッテリパックに組み込まれたプロセッサのコストが削減されます。これは、ダラス半導体によって例示されたDS2762チップの典型的な分析です。新しいタイプの個別の残量ゲージ集積回路。その構造を図5（a）に示します。

DS2762アプリケーションの機能

DS2762は、単一セルのリチウム電池残量ゲージおよび保護回路であり、2.46 mm x 2.74mmの小さなフリップチップパッケージに統合されています。電力検出用の統合された高精度抵抗器のおかげで、このデバイスは非常にスペース効率が良いです。その小さなサイズと比類のない高度な統合は、携帯電話のバッテリーやPDAなどの他の同様のハンドヘルド製品に最適です。統合された保護回路は、過電圧、不足電圧、および過電流障害（充電中または放電中）についてバッテリーを継続的に監視します。独立保護ICとは異なり、DS2762ではホストプロセッサがFETの導通状態を監視/制御できるため、DS2762保護回路を介してシステムの電力制御を実現できます。 DS2762は、電圧が3 v未満の場合、深く消耗したバッテリーを充電することもでき、電流回復充電パスが提供されます。

DS2762は、ダイナミックレンジと解像度でバッテリーの電流、電圧、温度を正確に監視し、一般的なモバイル通信製品のテスト基準を満たします。測定された電流は、内部で生成されたタイムベースを統合して電力計測を実現します。燃料計の精度は、リアルタイムの連続自動オフセット補正によって向上します。内蔵のセンス抵抗器は、製造工程や温度による抵抗の変化を排除し、残量ゲージの精度をさらに向上させます。重要なデータは32バイトのロック可能なeepmに保存されます。 16バイトのSRAMは、動的データを格納するために使用されます。 DS2762とのすべての通信は、1回線のマルチノード通信インターフェースを介して実行され、バッテリーパックとホスト間の接続を最小限に抑えます。その主な機能は、シングルセルリチウム電池プロテクターです。高精度電流（電気エネルギー計測）、電圧および温度測定;オプションの内蔵25mΩセンス抵抗器。各DS2762は個別に微調整されています。 0vバッテリーは充電を再開します。 32バイトのロック可能なeepm、16バイトのSRAM、64ビットチップ。

ワンライン、マルチノード、デジタル通信インターフェース。マルチバッテリーグループの電力管理をサポートし、電界効果トランジスタを保護することでシステムの電力制御を実現します。スリープモードでは、供給電流はわずか2（最大）で、動作電流は90（最大）です。 2.46 mm x 2.74 mmフリップチップパッケージまたは16ピンSSOPパッケージ、両方ともセンス抵抗付きまたはなし。評価ボードとの複合体。

4.結論

ポータブル電子電池技術の応用は、リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池およびそれらの充電器を選択するための基礎です。適切なものを選択する方法は、ポータブル電子機器の特定の要件にも依存する必要があります。

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