ワイヤレスアプリケーションでのコイン型リチウム電池の寿命を延長する洗練されたバッテリブースターIC

モノのインターネット（IoT）により、ワイヤレスセンサの普及度が高まっています。民生用、医療用、産業用、農業用を問わず、これらのセンサは小型、軽量、長バッテリ寿命という条件を満たしていなければなりません。また、これらのデバイスでは、送受信モードの間、電源が断続的な高電流負荷にさらされます。たとえば、送信バーストは100mA、受信動作は10mAを消費しますが、マイクロアンペア（μA）レンジでの低電流スリープモード動作はより長い期間にわたります（図1）。

図1：典型的なワイヤレスデバイスの負荷プロファイルでは、送信（100mA）と受信動作（10mA）のための高電流需要の間隔は短く、低電流のスリープモード動作の期間がはるかに長くなります。（画像提供：Nexperia、筆者による変更あり）

通常、送信または受信の動作期間は数十ミリ秒ですが、デバイスは数百秒間スリープモードのままです。デューティサイクルが短いため平均電流は低いと言えますが、ピーク電流が高いことが問題となります。

コイン型リチウム電池は小型でエネルギー密度が高くても、10mA以上の電流を供給すると寿命が著しく短くなります。また、内部抵抗が比較的高く、高電流を供給するには非効率的です。たとえば、新品のコイン電池の内部抵抗は約10Ωです。100mAの電流を供給すると、電池の内部抵抗全体で1Vの電圧降下が生じます。このような高負荷の下では、電池の化学反応速度も出力電圧の低下を引き起こします。また、電池が古くなると内部抵抗が増加します。考えられる1つの代替方法は、アルカリ電池を使用することです。これらの電池はピーク電流の定格が高くなりますが、コイン電池よりもサイズが格段に大きいという欠点があります。

コイン電池の寿命を延ばすブースター

Nexperiaは、コイン電池に対応する賢明なソリューションを開発しました。同社のコイン電池寿命ブースター集積回路（IC）ファミリは、コイン電池をRF回路の高電流要求から分離します。そのようにすることで、ワイヤレスセンサアプリケーションでの電池の持続時間が伸び、優れたバッテリ寿命を備えた小型・軽量パッケージが可能になります。

ブースターにはデュアルDC/DCコンバータステージが採用されています。第1ステージでは、コイン電池から低電流でエネルギーを引き出し、容量性蓄電素子をバッテリよりも高い電圧まで充電します。蓄電コンデンサが充電されると、第2のDC/DCコンバータはオンデマンドのエネルギーを安定化出力電圧で断続的負荷に供給します。コイン電池は、外部負荷が要求する高電流にさらされることがないため、電池の寿命を延ばすことができます。

このアプローチを使用すると、ピーク出力電流を25倍も増大させるとともに、断続的な負荷電流が高いアプリケーションで、バッテリ寿命を4倍から10倍に延ばすことができます。二酸化マンガンリチウム（LiMnO₂）または塩化チオニルリチウム（Li-SOCl₂）電池の特性にマッチした2つのデバイスファミリがあります（表1）。

表1：コイン電池寿命ブースター集積回路のNBM5100/NBM7100ファミリの特性。（表提供：Art Pini）

バッテリブースターの内部構造は類似しています（図2）。

図2：NBM5100A/BおよびNBM7100A/Bデバイスのブロック図を見ると、機能的に類似していることがわかります。（画像提供：Nexperia）

これらのコイン電池ブースターの動作も類似しています（図3）。

図3：充電サイクル（右上図）とアクティブ負荷サイクル（右下図）におけるNBM5100/7100の電圧と電流のグラフを示しています。（画像提供：Nexperia）

電池バッテリブースターは、デュアル高効率DC/DCコンバータを使用して、短時間の高電流負荷過渡に対してバッテリのバッファ機能を提供します。最初の変換ステージでは、充電サイクル中にブーストコンバータが使用されます。このサイクルは、負荷電流が大きくなる前に開始されます。充電時、エネルギーはバッテリから、バッテリセルの電圧より高い電圧（V_CAP）を持つ外部蓄電コンデンサに伝達されます。充電サイクルは、バッテリから低い定電流（I_VBT）を引き出します。その内部抵抗により、充電電流が低いとバッテリ出力電圧（V_VBT）が低下します。コンデンサが充電されると、降圧レギュレータDC/DCコンバータがアクティブサイクルを処理し、蓄電コンデンサから出力（V_VDH）にエネルギーを伝達するため、最大90%の効率で安定化された電圧で高負荷電流（I_VDH）を供給します。

充電サイクル中、引き出されたバッテリ電流（I_VBT）は非常に低いままであり、アクティブサイクル中は無視できます。これにより、バッテリへの反復的なストレスが減少し、セルの使用可能容量が延びます。充電中またはアクティブサイクル以外では、出力は静止状態またはスタンバイ状態に低下し、消費電流は50ナノアンペア（nA）未満になります。

電池バッテリブースターICには、負荷パルス特性を監視し、コンデンサへのエネルギー伝達および蓄積をインテリジェントに最適化する適応学習アルゴリズムが採用されています。最大63の負荷プロファイルを保持し、充電プロセスを調整できます。

ブースター動作モード

NBM5100/7100デバイスは、連続モード、オンデマンドモード、自動モードで動作します（NBM5100AおよびNBM7100Aバージョンのみ）。連続モードは、過渡負荷に即座に対応する必要があるアプリケーションで使用されます。蓄電コンデンサは充電され、DC/DCコンバータはアイドル状態になります。蓄電コンデンサの電圧は監視され、必要に応じてリフレッシュされます。アクティブコマンドを受信すると、蓄電コンデンサの安定化出力が即座に利用可能になります。蓄電コンデンサは、必要なエネルギーを負荷に供給した後に充電されます。フル充電されると、レディ信号がセットされます。

オンデマンドモードは、最大バッテリ寿命を必要とするアプリケーションに使用されます。このモードはスタンバイ状態でスタートします。オンデマンドモードは、I/Oインターフェースを使用して適切なビットを設定することで開始されます。蓄電コンデンサは必要なときに充電され、レディ信号が示すとおりに蓄電されたエネルギーが利用可能になります。

自動モードでは、I/Oインターフェースを使用せずに、スタート信号を使用してオンデマンド動作を開始します。レディ信号は、蓄電コンデンサが完全に充電され、使用可能であることを示します。

NBM5100/NBM7100シリーズは、シリアルI/Oインターフェースを使用して制御されます。NBM5100ABQXおよびNBM7100ABQXデバイスはI²Cインターフェースを使用し、NBM5100BBQXおよびNBM7100BBQX ICはSPIインターフェースを備えています。

これらの電池寿命エクステンダは、充電サイクルの回数を監視し、コイン電池の残量を報告します。これらは、シリアルインターフェースを通じて利用可能な燃料ゲージレジスタによりバッテリの充電状態を報告します。

NBM5100/NBM7100シリーズのコイン電池寿命エクステンダは、SOT763-1（DHVQFN16）16ピンパッケージで提供され、動作温度範囲は-40～+85°Cです。

Nexperiaは、NBM5100ABQXとNBM7100ABQX向けにNEVB-NBM5100A-01およびNEVB-NBM7100A-01評価ボードをそれぞれ提供しています。これらのボードにより、バッテリブースターの迅速かつ有用な評価が可能になります。開発中のボードに接続し、PCからUSB接続でグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を使用して制御することができます。

まとめ

NBM5100/NBM7100バッテリブースターは、かなり大きいAAまたはAAA電池を使用する必要のある高過渡負荷のワイヤレスIoTアプリケーションでのコイン型リチウム電池の寿命を延ばします。これらの洗練されたブースターは、コストを削減すると同時にデバイスサイズを小さくすることに役立ちます。