可穿戴设备及小型系统的安全充电是如何实现的？

作者：Kanji Kerai

EET电子工程专辑原创

物联网(IoT)影响所及几乎包括现代生活的各个层面。通过收集和分析巨量数据，我们可以管理自己的健康、减少家庭和工作中的能源消耗、监控和改善当地环境等，以及其他许多面向。

物联网的潜在应用是如此多元，不过它们还是有一些共通的关键特性。负责收集数据的装置必须够小、易用且几乎要每时每刻都在工作。这些要求在可穿戴设备中可能是最显而易见的，目前全球已有数百万的人们使用可穿戴设备来追踪自己的活动、监测并改善自己的健康。

为了收集这些必要的数据，可穿戴设备必须时常使用，因此体积必须够小以及够舒适，而且必须要能够持续工作很长的时间。智能家庭感测节点和其他物联网应用也面对相同的要求。

这就引发了如何供电给这些设备的问题。最理想的方式是能直接从所处环境中获取能源，如此它们就能拥有源源不断的电力。虽然在降低功耗及改善能量采集方面已取得长足进展，然而要实现这个理想仍有一些距离。在可预见的未来，我们仍需要仰赖电池做为主要电源。特别是为了尽量降低数十亿装置的电力浪费，可充电电池可能仍是未来数年的电源选择。

可穿戴设备的首选

可穿戴设备的尺寸受到严格限制，而且为了长时间穿戴也必须极其舒适，这意谓着它们必须够轻，所以电池必须尽可能的小。还有，根据IDC和GMI的多项研究显示，电池寿命是消费者购买电池供电便携设备时考虑的首要因素。因此，产品的成功与否，高电池容量是关键所在。

为了同时满足这两方面的要求，使得电池所面临的挑战提升到另一个层次。幸运的是，锂离子电池拥有许多足以克服此一挑战的特性，使其成为可穿戴应用的理想选择。

首先，它们提供高能量密度，让系统设计人员可以选择更轻巧的电池，同时还能提供更长的工作时间。在此同时，相较于镍氢(NiMH)电池和镍镉(NiCd)电池的操作电压是1.2V，锂离子电池的操作电压一般是3.7V，这就意谓锂离子电池需要更少的单电池(cell)数量，才能进一步实现更小、更轻的系统。再者，它们还具有比镍基电池更低的自放电率：每月约2%，相形之下，NiMH和NiCd则是每天高达5%。因此所需充电次数较少，而且长时间未工作后，可立即使用的可能性也较高——这让系统更便于使用。

当然，所有技术都有其不足之处。例如，相较于镍基充电电池，锂离子电池的制造较为复杂，价格也比较高。然而，随着产品大量生产，它的规模经济和持续的技术进展正快速降低成本。

正如近日新闻标题所突显的，锂离子电池也具有更高的潜在安全风险。它们使用易燃的电解质，如果充电电压太高或太低，都可能导致电池着火或爆炸。大部份的锂离子电池具有内部保护电路，就某种程度而言可以防止过压或欠压。然而，相较于镍基电池，锂离子电池仍需要更精密的充电程序。

充电的挑战

为了避免这些安全问题，锂离子电池需要恒定电流(CC)、恒定电压(CV)的充电过程。在这个过程中，电池一开始会以固定的电流充电，直到它达到设定电压。然后，此充电电路会切换至恒定电压模式，提供必要的电流以维持电压的设定值。

电流和电压级的选择必须小心平衡，以取得最佳的结果。利用较高电压充电能增加电池容量，然而，过高的电压可能会对电池施加压力或过度充电，导致永久性损坏、不稳定和危险。同样的，较高的充电电流可以加速充电，但对电池容量会有影响：将充电电流减少30%可让电池储存的电荷增加达10%。

一般来说，充电电流会被设定为电池容量(电池可供电一小时的最大电流)的一半，电压则设定为每电池单元4.2V。然而，已经知道的是，使用稍低的电流和电压值可以减少电池的老化，使其能在更久的充电周期中保持更高的充电容量。

确保安全性

因为这样的复杂性，充电方案必须要能够密切监测充电电流和电压，并且提供稳定的控制电路，以期在充电周期的适当时点维持适当数值(亦即在第一阶段保持电流恒定，以及在第二阶段保持电压恒定)。

此外，充电方案也必须根据严格的标准进行全面测试。这些标准涵盖的测试条件范围很广，比起镍基电池充电的要求更多，并且具有额外的电池特定测试。

JEITA规范

日本电子和信息技术产业协会(JEITA)已发展出说明锂离子电池使用和充电的规范。虽然此规范仅是准则，而非认证组织所拟定的严格标准，但此规范已获产业普遍接受，有助于确保锂离子电池的使用安全。

JEITA规范针对安全充电定义了最低温度(T1)、最高温度(T4)及介于两者之间的三种温度区间(低、中和高)。请见图1。

图1：JEITA规范针对锂离子电池安全充电所订定的温度范围。

针对每一温度区间定义最大安全电流。

‧ 低温区间：最大电流是电池容量的50%

‧ 标准温度区间：最大电流是电池容量的70%

‧ 低温区间：最大电流是电池容量的60%

图2显示这些安全电流及其对应的安全电压区域。

图2：根据JEITA规范锂离子电池充电的安全电流和电压。

采用DA1468x系列实现安全充电

可穿戴设备以及其他许多物联网设备的尺寸及重量都受到严格限制。为了协助确保安全的电池充电，同时符合小体积的要求，Dialog SmartBond DA1468x系统单芯片(SoC)的整合型电池管理功能(具备一些外部组件和链接)可充分支持JEITA规范。

此功能的核心是灵活的CC/CV充电算法。支持200μA至400mA的电流，此算法允许对具有一定容量范围的电池进行充电。图3显示DA1468x SoC如何连接至电池以进行充电。

图3：范例为具有Dialog DA14680或 DA14681的锂离子电池充电电路。

此算法定义四个不同的充电阶段：预充电、恒定电流、恒定电压和电压监测。

充电周期

在侦测到输入电压后，充电随即开始。如果电池严重耗尽(例如电压小于3V)，则算法会启动预充电阶段。在这个阶段，电池是以低电流(大约电池容量的10%)进行“预充电”，直到电池已准备好接受完整的充电电流。这能防止过热。

一旦电池电压达到适当的水平，算法会切换至恒定电流阶段。电池以更高的电流(达到电池容量)充电，直到电压达到4.2V(标称值)。此时，充电器进入恒定电压阶段，以避免过充电的风险。在这个阶段，电压保持在4.2V，而电流下降到约电池容量的10%。从恒定电流到恒定电压的转变是渐进且平顺的，以避免损坏电池。

此时电池已充满电，如果它保持连接，则充电器进入电压监测阶段，并提供周期性充电电荷以抵消电池的自放电。这通常是在电池的开放电路电压下降到4.0V以下时完成。

图4：Dialog DA14680和DA14681的充电周期。

在此基本周期内，系统设计人员可调整一些参数以设定充电程序，包括：

‧ 预充电电流(应设定为10%;亦即介于1和15mA)

‧ 预充电电压Vpcv (应设定为3.05V)

‧ 预充电定时器(默认值=15分钟)

‧ 恒定充电电流Icc (应设定为70%)

‧ 充电电压Vfloat (范围为4.2–4.6V)

‧ 恒定电流(CC)定时器(默认值=180分钟)

‧ 恒定电压(CV)定时器(默认值=360分钟)

内建保护功能

为了协助确保安全，DA14680和DA14681提供许多内建保护功能，以防止因非标准充电情况所造成的问题。包括针对以下问题的防护：

‧ 欠电压放电

‧ 过电压充电

‧ 过电流充电

‧ 预充电、恒定电流和恒定电压阶段的超时

‧ 低及高电池温度(使用外部负温度系数NTC和连接)

强烈建议电池应具有自身的内部保护，以防止过压充电、欠压放电和过电流放电/充电。此外，电池必须具有内部负温度系数(NTC)传感器，且应该连接至DA14680或DA14681的NTC接脚。此接脚也应该连接至模拟数字转换器(ADC)输入(例如ADC5)。

安全、便利和可靠的可穿戴设备

锂离子技术能实现更小巧的电池且具更大的容量，协助系统设计人员克服外观尺寸的限制，并提供更长的电池寿命，而这正是消费者所期盼的。它们拥有更高的工作电压，这意味着需要的电池单元更少，能进一步缩小系统尺寸并提升设计灵活性。

但是这些电池需要更精密的充电解决方案，以确保安全高效的充电。例如，Dialog的DA1468x系列提供电池管理整合功能，包括符合JEITA规范的充电算法和内部保护功能。将这些功能全整合于一个单一芯片上，有助于进一步缩减系统尺寸，同时最大化设计弹性和简化设计过程。如此一来，设计人员可以加速提供功能丰富、舒适和外型吸引人的可穿戴设备。