一次電池物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

許多小型IoT器件要求用一次電池長期工作。

因此，在為傳感器、MCU、無線通信各功能供應(yīng)超低消耗工作且高效電源的同時(shí)，電池控制、監(jiān)視也變得重要。

在此，將示例一種解決方案，其添加了一般且適合電池長期工作的電源配置及切斷運(yùn)輸和不使用時(shí)的電源消耗的功能。

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備注：關(guān)于鋰一次電池

3.0V是二氧化錳型　/　3.6V是亞硫酰氯型

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解決方案概要

關(guān)于升壓IC

電路框圖(a)是可將MCU直接連接到電池的情況。簡單的IoT/安全/可穿戴/醫(yī)療的小型器件多為這種結(jié)構(gòu)。

近年來，在1.8V～3.8V的大范圍內(nèi)工作的MCU越來越多，這種情況下，無需使用電源IC，即可直接連接到電池使用。

對(duì)此，RF和傳感器需要3.3V的固定電壓，即使工作電壓寬也為了要滿足規(guī)格，大多需要一定電壓以上的電壓，即需要升壓IC。

RF和傳感器不會(huì)一直工作，有時(shí)RF也會(huì)每天通信一次，而且是幾秒鐘。

此外，即使看起來像一直在工作，其實(shí)有很多情況是通過細(xì)致地ON/OFF控制降低消耗電流，使電池耐用。

為實(shí)現(xiàn)上述工作，在需要時(shí)，MCU將對(duì)RF和傳感器的工作進(jìn)行ON/OFF控制。

此外停止時(shí)，不僅會(huì)停止RF和傳感器的功能，還會(huì)使升壓IC及穩(wěn)壓器停止工作，可長時(shí)間使用電池。

要抑制工作時(shí)的紋波，使其噪聲頻率恒定，PWM固定型適合。

如果輕載的工作狀態(tài)存在，則使用PWM/PFM轉(zhuǎn)換(自動(dòng)切換工作模式)型。此外，要抑制EMI，并使其小型化，線圈一體型適合。

升壓 DC/DC

• XCL102: PWM, 線圈一體型

• XCL103: PWM/PFM, 線圈一體型

• XC9141: PWM, 外置線圈

• XC9142: PWM/PFM, 外置線圈

關(guān)于LDO

為了使RF和傳感器的電源噪聲更低，有時(shí)會(huì)在升壓IC的后級(jí)使用穩(wěn)壓器。

具有高紋波抑制比/低噪聲并且良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性的高速LDO最適合于消耗電流的陡峭變化的RF部位

此外，傳感器用途中100kHz以上的噪聲重要的情況下，也有高頻噪聲低的低消耗型比高速型更適合的情況。

穩(wěn)壓器

• XC6233: 高速

• XC6215: 低消耗

關(guān)于RESET IC

監(jiān)視電池電壓，電壓下降時(shí)，向MCU發(fā)送信號(hào)。使用超低消耗型，抑制對(duì)電池的負(fù)擔(dān)。

MCU的電源電壓與正在監(jiān)視的電壓相同，所以可使用CMOS輸出型。CMOS輸出型無需上拉電阻，不會(huì)有流過上拉電阻的消耗電流。也減少零部件，N溝開漏產(chǎn)品在電池電壓下降時(shí)輸出“L”時(shí)，使用的上拉電阻的會(huì)有電流流過消耗電流會(huì)增加，會(huì)影響電池壽命。

MCU中也有UVLO和A/D轉(zhuǎn)換器等能監(jiān)視電壓的產(chǎn)品，作為低消耗電壓監(jiān)視和功能安全，MCU外部需要監(jiān)視功能時(shí)，電壓檢測器很有用。

電壓檢測器

• XC6136 C型: Iq～100nA (C型 : CMOS輸出)

關(guān)于改善電池的耐久性的解決方案 / Push Button Load SW

電路框圖(b)是一種通過添加Push Button負(fù)載開關(guān)，功能追加和大幅度改善電池的耐久性的解決方案。

為了共享MCU控制和按鈕控制需要開關(guān)引腳右側(cè)的SBD和MCU的VDD的上拉電阻是需要的。

Push Button 負(fù)載開關(guān)

• XC6194: 1A SW內(nèi)置

• XC6193: 支持外置Pch驅(qū)動(dòng)大電流

本解決方案具有以下很大的優(yōu)點(diǎn)。

1、防止從產(chǎn)品出貨到開始使用的電池放電

被稱為“Storage模式”、“Ship模式”。

最適合不能拆卸電池的設(shè)備。此時(shí)的消耗電流幾乎為0。

通過按下按鈕，即可開始使用。當(dāng)然，可與此IC共享MCU控制用的按鈕。

2、可用作主電源ON-OFF開關(guān)

可用按鈕代替機(jī)械開關(guān)進(jìn)行ON-OFF。例如，最適合防水設(shè)備。

MCU可向SHDN引腳發(fā)送信號(hào)，并關(guān)閉Push Button負(fù)載開關(guān)。

此外，我們還準(zhǔn)備了可通過長按按鈕關(guān)閉Push Button負(fù)載開關(guān)的類型。

3、解除死機(jī)

設(shè)備死機(jī)等異常時(shí)，可有效利用長按按鈕的OFF功能。選擇長達(dá)5秒或10秒的類型誤操作而關(guān)閉的可能性會(huì)降低，適用于死機(jī)對(duì)策。

關(guān)閉后，再次按下按鈕即可使之正常啟動(dòng)。

并且Push Button負(fù)載開關(guān)作為對(duì)電池有益的功能，具有以下特點(diǎn)。

• 通過沖擊電流防止功能，抑制啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流啟動(dòng)完成后有PG引腳輸出可起動(dòng)使下一級(jí)電源IC和MCU工作。

• 1.2V UVLO功能讓Push botton負(fù)載開關(guān)進(jìn)入Shutdown狀態(tài)，有防止電池漏液的效果。

• VOUT大幅下降時(shí)，通過輸出短路保護(hù)功能進(jìn)行Shutdown保護(hù)

如上所述，即使是以直接連接到電池工作的MCU為核心的簡單的IoT器件，稍微花點(diǎn)功夫就可進(jìn)一步改善電池的耐久性和容易滿足小型高靈敏度要求。

Li-ion Polymer互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

雖然是電池工作，但傳感器和通信的頻率高且功能復(fù)雜的IoT器件大多使用Li-ion/Polymer二次電池。

對(duì)一次電池的充電控制和配合電源電壓的超低消耗降壓DCDC的追加是有代表性的電源解決方案。

編輯切換為居中

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解決方案概要

關(guān)于CHARGER IC

使用Li-ion/Polymer的IoT器件需要充電用電池充電IC和將電壓降至MCU的電源電壓范圍內(nèi)的降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

首先，我將說明電池充電IC的用法。

充電電壓(CV : Charge Voltage)和充電電流(CC : Charge Current)是基本選擇。根據(jù)所需的充電電流，選擇充電IC和電阻RISET。

電池充電IC

• XC6808: 5mA ~ 40mA

• XC6803: 40mA ~ 280mA

• XC6804: 200 mA ~ 800 mA

本電路框的Li-ion/Polymer電池是內(nèi)置NTC，外置PCM(電池保護(hù)電路)的情況。無論內(nèi)置/外置都需要PCM。

關(guān)于NTC，如果沒有內(nèi)置在電池中，請(qǐng)注意放置場所并將其外置。

如果不需要NTC，請(qǐng)通過電池充電IC指定的方法處理NTC連接引腳。

這里顯示充電狀態(tài)的CSO引腳已用于向MCU發(fā)送充電情況。

CSO引腳為N溝開漏輸出，已通過電阻上拉到MCU的電源，以使信號(hào)的“H”電平與MCU的I/O電壓范圍相匹配。

如果用LED顯示充電狀態(tài)，則通過限制電流用電阻驅(qū)動(dòng)LED，使該電源從VIN獲得。這是為了避免用充電IC供應(yīng)的充電電流驅(qū)動(dòng)LED。

VIN中放置了浪涌保護(hù)用TVS。因?yàn)槭峭獠恳_，可能會(huì)有ESD等浪涌、及劣質(zhì)USB適配器在無負(fù)載時(shí)也可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓，要用TVS和齊納二極管采取對(duì)策。

此外，在充電的同時(shí)使用負(fù)載電流的情況、或一直供電5V，將Li-ion/Polymer電池用于備用時(shí)，可使用具有從VIN或電池兩者輸出提供適當(dāng)電流的Current Path功能的高功能充電IC。

帶Current Path和Shutdown 電池充電IC

XC6806

關(guān)于MCU專用降壓DC/DC及LDO

Li-ion/Polymer電池高達(dá)CV = 4.2V或4.35V，一般來說，最大3.8V左右的MCU需要降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

在IoT設(shè)備中，MCU許多期間在Sleep狀態(tài)下工作，因此IOUT從μA級(jí)(Sleep時(shí))到100mA以上(工作峰值時(shí))必須高效。

通過將在超低消耗的同時(shí)搭載輸出電壓切換(VSET)功能的降壓DC/DC用于此用途，可進(jìn)一步改善電池的耐久性。

如果使用輸出電壓切換功能，即使使用電流相同也能降低工作電壓，可大大降低功耗。

一般來說，MCU因內(nèi)置的RF、模數(shù)和高速運(yùn)算等，所以在工作時(shí)需要較高的電源電壓，但可在Sleep時(shí)以最小電壓工作。

例如，Sleep時(shí)通過將VOUT從3.0V降至1.8V，可減少M(fèi)CU的功耗，大幅改善電池的耐久性。

降圧DC/DC

• XC9276: Iq = 200nA, 輸出電壓切換功能

• XCL210: 線圈一體型 Iq = 0.5μA (無輸出電壓切換功能)

如果要廉價(jià)配置解決方案，穩(wěn)壓器適合。

此外在可充電的應(yīng)用程序中，即使是效率低下的穩(wěn)壓器，有時(shí)也會(huì)被判斷沒有問題而使用。

穩(wěn)壓器

• XC6504: Iq = 0.6μA, 無需輸出電容

關(guān)于RF/Sensor專用降壓DC/DC及LDO

RF和傳感器也因電池電壓高而需要降壓DC/DC和穩(wěn)壓器。

RF中重要的是低紋波且低EMI。此外，RF特別在發(fā)送時(shí)的電流變化陡峭，所以瞬態(tài)響應(yīng)出色的HiSAT-COT控制適合。

降圧DC/DC

• XC9281: PWM, 世界最小解決方案(3.52mm2)/低EMI

• XC9282: PWM/PFM, 世界最小解決方案(3.52mm2)/低EMI

• XCL221: 線圈一體型 PWM，1.2MHz/高效/低EMI

• XCL222: 線圈一體型 PWM/PFM，1.2MHz/高效/低EMI

僅在需要MCU時(shí)，設(shè)CE=“H”，工作降壓DC/DC，找元件現(xiàn)貨上唯樣商城，向RF和傳感器供應(yīng)電壓使之工作。

停止時(shí)，不僅會(huì)停止RF和傳感器的功能，也會(huì)停止降壓DC/DC的工作，可使電池長時(shí)間使用。

要抑制工作時(shí)的紋波，使其噪聲頻率恒定，PWM固定型適合。

如果有輕載的工作狀態(tài)，則使用PWM/PFM轉(zhuǎn)換(自動(dòng)切換工作模式)型。

如果要使用穩(wěn)壓器，高紋波抑制/低噪聲且像RF一樣的消耗電流變化陡峭的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)出色的高速LDO最適合。

此外，傳感器用途中100kHz以上的噪聲重要的情況下，會(huì)有高頻噪聲低的低消耗型比高速型更適合的情況。

穩(wěn)壓器

• XC6233: 高速

• XC6215: 低消耗

關(guān)于RESET IC

使用超低消耗電壓檢測器可監(jiān)視電池電壓。

MCU的電源電壓與檢測的電池電壓不同，因此要使用N溝開漏型，通過電阻上拉到MCU的電源電壓，并將信號(hào)傳遞給MCU。

如果想降低檢測后的上拉電阻消耗電流，將監(jiān)測(VSEN)引腳從電源(VIN)引腳中分離，并使用CMOS輸出型。

通過從MCU的電源電壓獲得電源，可使用CMOS輸出型。

電壓檢測器

• XC6136 N型: Iq～100nA (N型 : N溝開漏輸出)

• XC6135 C型: Iq～100nA，傳感引腳分離型 (C型 : CMOS輸出)

關(guān)于Push Button重啟控制器

關(guān)于作為死機(jī)對(duì)策而附加的Push Button重啟控制器。

Push Button重啟控制器

• XC6190

Li-ion/Polymer的IoT設(shè)備一般不能拆卸電池，找元件現(xiàn)貨上唯樣商城，所以需要在死機(jī)等設(shè)備異常時(shí)進(jìn)行復(fù)位并使之重新啟動(dòng)的功能。

本例中有兩個(gè)MCU控制用按鈕，Push Button重啟控制器與其共同使用。

死機(jī)時(shí)，同時(shí)持續(xù)按下兩個(gè)開關(guān)，規(guī)定的時(shí)間過去后，RSTB下降到“L”，可復(fù)位MCU。RSTB為N溝開漏輸出，因此將上拉到MCU的電源電壓。

這里是向MCU發(fā)送了RESETB信號(hào)，另外也有例如控制驅(qū)動(dòng)MCU電源的降壓DC/DC的CE，通過長按RESET關(guān)閉DC/DC來強(qiáng)制重新啟動(dòng)的方法。

如上所述，通過配置最合適功能的IC，可實(shí)現(xiàn)簡單而工業(yè)設(shè)備所需的低噪聲、長壽命的高性能IoT設(shè)備。