如何在鋰離子電池設(shè)計中實現(xiàn)運輸節(jié)電模式

您是否有印象，許多電池供電的電子玩具在電池上有一個小型塑料拉片（如圖1），將其拉下后這些玩具才開始動起來？這是關(guān)閉電池至產(chǎn)品有源電路的連接的一種方式，且是最早的一種“運輸節(jié)電模式”。

本文將介紹什么是運輸節(jié)電模式，以及如何在產(chǎn)品中使用此功能來提供最佳用戶體驗。雖然本文主要將使用德州儀器電池充電管理集成電路作為示例，但您可將這些概念應(yīng)用于正在開發(fā)的任何低功耗系統(tǒng)。

圖 1：拉動電池供電產(chǎn)品上的拉片

什么是運輸節(jié)電模式，為何需要它？

運輸節(jié)電模式是產(chǎn)品消耗最低電池電流的狀態(tài)。消費者希望在購買電池供電產(chǎn)品后能夠立即使用它們。這意味著電池在運輸期間和保質(zhì)期內(nèi)必須保持一定容量，這可能需要幾個月甚至更長時間。

鋰離子電池已成為設(shè)計師的熱門選擇，因為它們可充電、支持高功率要求且極其輕便。但是，與非充電電池不同，您不能在使用鋰離子電池的產(chǎn)品上放置塑料拉片。因此出于安全考慮，您希望避免使用這些電池。這意味著我們需要找到替代解決方案，以便在處于通斷狀態(tài)的產(chǎn)品中實現(xiàn)運輸節(jié)電功能。

您可能想知道為何當(dāng)“運輸節(jié)電”只發(fā)生一次時您就應(yīng)該關(guān)注運輸節(jié)電模式，但這并不完全正確。運輸節(jié)電模式是產(chǎn)品消耗最低靜態(tài)電流的狀態(tài)，同時等待用戶按下按鈕導(dǎo)通產(chǎn)品。例如，德州儀器的BQ25120A主動監(jiān)控待插入的適配器或按鈕輸入，同時消耗2 nA的典型電流。

我們經(jīng)常建議設(shè)計人員在產(chǎn)品即將出廠裝箱、產(chǎn)品正在使用且電池電量不足、以及產(chǎn)品正在使用且用戶想關(guān)閉產(chǎn)品時實施運輸節(jié)電模式。

BQ25120A系列產(chǎn)品充電器的運輸節(jié)電模式使用按鈕接口實現(xiàn)，如圖2所示。按鈕輸入（/MR）在內(nèi)部上拉至VBAT管腳。當(dāng)器件處于運輸節(jié)電模式且用戶按下/MR按鈕時，產(chǎn)品將退出運輸節(jié)電模式。

您無需在此管腳上使用電容，因為信號在內(nèi)部已消除故障，但通常其在某些原理圖中可見。若開關(guān)暴露給用戶，您可選擇使用瞬態(tài)電壓抑制二極管進(jìn)行保護(hù)。/MR管腳上的低電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為“ 按下按鈕”動作。連接到微控制器（MCU）以驅(qū)動/MR管腳時要小心，因為/MR管腳上的電壓被拉至電池電壓本身。通常采用N通道金屬氧化物半導(dǎo)體來模擬無按鈕系統(tǒng)中MCU的“按壓”動作。

圖 2：/MR管腳上的內(nèi)部上拉

當(dāng)產(chǎn)品即將裝箱時，EN_SHIPMODE命令通過I2C發(fā)送，器件等待進(jìn)入運輸節(jié)電模式，直至VIN（充電器）斷開，如圖3所示。

圖 3：工廠生產(chǎn)線運輸節(jié)電模式圖例

我看到生產(chǎn)線上存在很多挑戰(zhàn)。在實驗室中運行很有效，但在一條生產(chǎn)線上每小時生產(chǎn)幾百種產(chǎn)品時，這可能是另一回事。產(chǎn)品處在夾具上，若VIN適配器未彈回，裝配工無法正確拉出產(chǎn)品。當(dāng)VIN看似重新插回時，充電器將退出運輸節(jié)電模式。這種情況下，如何確保產(chǎn)品處于運輸節(jié)電模式？

答案很簡單：VIN存在時，設(shè)置EN_SHIPMODE命令。一旦產(chǎn)品離開為VIN供電的夾具，將/CD管腳抬升，以執(zhí)行運輸節(jié)電模式命令，且在裝箱前將器件置于運輸節(jié)電模式，如圖4所示。在所有這些序列中，/MR被推動，以顯示該器件確實進(jìn)入了運輸節(jié)電模式。

圖 4：一家?guī)в袕椥赃m配器的工廠中的運輸節(jié)電模式圖例

當(dāng)產(chǎn)品電池電量不足時，通常最好的掉電方式是保留一些備用容量，然后進(jìn)入運輸節(jié)電模式。當(dāng)用戶按下按鈕時，器件可以讀取電池電量。若電池電量過低，產(chǎn)品可能會顯示警告并返回到運輸節(jié)電模式，如圖5所示。例如，使用BQ25120A時，可使用單個寄存器寫入發(fā)送運輸節(jié)電模式命令，如圖6所示。

圖 5：產(chǎn)品喚醒程序

圖 6：通過I2C命令進(jìn)入運輸節(jié)電模式

此外，要創(chuàng)建電源通斷按鈕，您仍然可使用/MR管腳，通過配置MRREC寄存器以進(jìn)入運輸節(jié)電模式，并編程按鈕的持續(xù)時間，以確定需要保持低電平的時長；您剛剛創(chuàng)建了一個斷電按鈕。若要重新喚醒，請再次按下按鈕，如圖7所示。

圖 7：電源通斷按鈕