锂纽扣电池可靠性预测和应用寿命估算

 

鲁思慧

 

工业设备尤其是便携式设备均离不开嵌入的锂纽扣电池--系统的“源动力”。 据此，锂纽扣电池的制造厂商及产品又是层出无穷、品种繁多，从而导致使许多最终用户在对其锂纽扣电池的使用寿命和选用上不是茫茫然就是束手无策。为此，如何解决这致关系统可靠安全的重要问题及如何寻找出新方案、新产品等新途径就成为其重中之重。

 

目前国际上有不少著名制造厂商, 能提供有备用锂纽扣电池的非易失存储器(NVM—Non volatile memory)或实时时钟（RTC）的应用产品，以确保当系统(微控制器、嵌入式等系统)掉电时保存数据或信息，而DallasSemiconductor公司尤为名符其实。这些产品的典型规格是在没有系统电源的条件下提供10年的使用寿命。因为最终应用是不确定的，所以对使用寿命的预测还是比较保守的。

 

最终用户针对锂纽扣电池的具体应用, 应评估（电池结构／特征、电池测试／筛选、容量等）或预期出使用寿命，特别是对那些工作环境超出了典型范围或所需应用时间超过10年的用户来说。必须了解这电池可靠性模型，这将有助于用户单独选购电池控制器, 从而又将电池控制器与电池组装在一起构成性能价格比较高的锂纽扣电池，也就解决了不必购买包含电池控制器和电池在内的高成本模块问题。本文论述了备用锂纽扣电池应用寿命估算及寿命对IC集成电路（指SRAM--静态随机存取存储器或RTC）影响的有关问题。这儿指IC均属于是由系统电源供电或锂备用电池供电。为此，首先要说明为何选用备用电池?

 

为何选用备用电池

 

众所周知,系统断电时，有多种保存数据的方案，当对读写速度或周期数要求比较严格时，有备用电池的SRAM是一种较为可靠的替代方案。闪存或EEPROM同样提供NV(非易失)数据存储，但在简易性和速度指标上存在不足。而有备用电池的SRAM, 其主要缺陷是电池是一 个消耗品，产品选择必须慎重考虑电池容量并确定其产品最终的使用寿命。对于没有系统电源供电同时要保持信息或计时功能，并需要提供一定的电能才能维持晶振工作，则用电池提供电流是非常适合的.

 

IC集成电路所需电流

 

如果IC(SRAM或RTC)将由电池供电，则需要在IC工作时的电流、使用寿命与电池容量之间加以匹配。购买电池和IC时，其数据手册将提供与IC负载相对应的有关估算电池寿命的信息，如果购买集IC和电池于一体的模块，则最终用户应依靠模块厂商对模块产品的适当筛选来保证系统使用寿命的要求。

 

半导体制造厂商为其所有电池供电产品制订了测试条件，以保证在电池容量的允许范围内为最终器件提供10年的使用时间。而Dallas Semiconductor公司对这种应用的IC进行优化设计并利用先进的处理工艺满足低电流的需求。对于其它供货商提供的高密度SRAM需作特殊的筛选才能满足模块使用寿命的要求。图1来自于由锂纽扣电池供货商-松下公司提供的电池容量报告，图中四条线代表最常用的电池尺寸(BRl225、BRl632、BR2330和BR3032)。电池供应商提供的额定电池容量(单位为mAH-毫安时)与电池尺寸相对应。

 

电池结构／特征

 

在其需要有备用电池的模块内选用一次性锂钮扣电池,这些电池的额定电压为3V,对系统典型工作电压为2.7V来说，则该锂钮扣电池作为备用电源非常合适。电池电压在放电状态下保持稳定平坦(见图2所示)，电池放电接近终止时仍能提供与新电池几乎相同的电压。平坦的放电曲线对于备用电池而言是极为理想的特性，但它为估算电池的剩余电量增添了难度。

 

一次性锂钮扣电池具有较好的可预测性，它的开路电压或内部阻抗等关键参数的离散性极小，极小的离散性使电池厂商筛选电池时很容易设置电池检测的条件，从而便于剔除有缺陷的电池，同时也有助于电池用户鉴别有故障的IC/电池系统。例如，电池电压离散性或电压与电池负载的对应关系是已知的，则电池加载后的电池电压可用以指示其电池的负载情况。如果电池负载与IC所需要的电流一致，则负载电压的离散性极小。根据从外部测得的负载电压可以检测异常IC或电池，从而排除潜在的可靠性风险。

 

 

电池测试／筛选

 

电池制造商经过100%的测试使产品性能极其一致，但是，任何用户为其系统选用电池时还需对电池作进一步测试，以确保最终产品选用工作正常的电池。经过适当的筛选可以检测出三种类型的缺陷:首先是那些被电池制造商的测试系统所遗漏的电池，这类电池最易检测;第二类缺陷是低水平的内部泄漏，这些电池可能经过一段时间后才能显现出它的内部故障，对于这类电池的检测不仅要了解其合适的测试电平，还要预先了解其测试结果的离散性;第三类缺陷是电池用户在处理或系统制造过程中产生的,由于电池容量是有限的,如果有意想不到的负载在短时间内加到电池上,将会缩短电池使用寿命。

 

应该说一个周密的筛选程序的关键是在制造工序中对电特性进行100%的测试。由于电特性是可预知的，加载前和加载后测试电池电压能够判断电池是否存在异常。此种筛选还可以识别那些非典型负载.除了电特性筛选，对电池进行视觉抽检有助于识别制造流程的变化，这些变化往往会导致漏电阻降低。

 

关于电池可靠性模型与电池寿命计算

 

可靠性模型

 

电池是由一定数量并能够完全反应的活性成分组成的“平衡结构”，参加电反应的关键成份是金属锂、阴极和电解液。电池厂商的目标是在电池内容人尽可能多的能量，由于电池内部体积有限，当电池成份严格按照正确的比例配置时可以达到电池的最大能量密度。任何成份的损耗都可能影响其它成份的电反应。而”电池可靠性模型” 主要考虑电池平衡结构，以探寻导致关键成份产生损耗的因素。

 

电池寿命计算

 

由于电池是系统中的消耗品,当把负载加到电池上时对电池寿命的制约是显而易见的。基于一定负载的电池寿命很容易计算，即用电池容量(单位为毫安时)除以所需负载电流(单位为毫安) 从而可得到电池使用寿命(小时)。确定电池寿命还需考虑电池负载的供电占空比。对于设计合理的系统来说,当系统电源供电时电池是处于电隔离状态，以防止电池漏电。对于长期由主电源供电,只是短期内依靠电池备份的系统而言，降低电池供电占空比可有效延长电池寿命。因为这些电池用于电流非常小,甚至是零电流的应用，用户还必须考虑其它可能会造成活性成份损耗的机制，如电解液通过卷筒式封装泄漏，这种机制表现出温度加速特性，活化能量近似为1.0eV(electron volt-电子伏特)。而室温下电池的电能损耗速率低于0.5%/每年，这时可以不考虑这种活性成份损耗机制。但随着温度升高使电解液有明显损耗时就必须考虑。

 

由于活性成份的平衡性，不必考虑电解液损耗是由电反应造成还是由于温度升高导致泄漏造成。当电池没有足够的电解液继续反应时，电池也就不再提供电流。所以，在预测电池使用寿命时,推荐使用有综合考虑所需电能和温度因素的并联模型(见图3所示)。有些模型分别衡量电气或温度损耗支路，如果不考虑电解液泄漏对电池寿命的影响,当系统工作在室温以上的温度范围时，将会过高估计电池的使用寿命。

 

估算电池寿命从概念上与计算两个并联等效电阻相同，用户可以控制IC消耗的功率是来自电池还是来自系统电源，所以，电流损耗支路包含了一个开关(如图3所示)。当IC由系统电源供电时（即Vcc=ON时,开关断开），电流损耗对电池寿命的影响可以忽略。

 

IC／电池系统制造商能够对其组成的元件在选择和制作筛选上能进行控制，适当的进行控制，有利于延长系统使用寿命.而最终用户则根据实际条件对如何有效利用电池能量进行控制.最终用户可以控制模型中的电气和温度损耗两个支路，而负载对电池能量的消耗则由电池的供电占空比来控制。系统电源供电时，器件的内部电池隔离电路能够阻断电池供电回路，禁止从电池吸收电流，可靠性模型中的电气负载支路只有在系统工作在备用电池状态时才起作用。系统环境温度影响温度加速支路，即电池自放电速率随着温度的升高而升高，见图4所示，使电池寿命缩短.为此,采用适当的制冷措施有助于降低电池温度，延长电池寿命。

 

 

寿命计算举例

 

系统

系统工作在室温,100%由备用电池供电，室温下电解液的挥发非常少，可以忽略，电池使用时间由IC的电流确定。

1、关于电损耗支路

*电池容量(BRl632)=120mAh

*IC吸收电流=1.2µA

*占空比=100%

*电池寿命=(0.12Ah)/1.2×A)=100000小时=11.4年

2、关于电解液挥发支路

*+25℃电池的寿命=230年

*计算：(230×11.4)/(230+11.4)=10.9年

情况

系统工作于+60℃,50%的时间由备用电池供电，分别考虑电能消耗或电解液挥发因素时，电池寿命大约为20年，两种因素共同作用下电池寿命大约为10年。

1、关于电消耗支路

*电池容量(BRl632)=120mAh

*IC吸收电流=1.2µA

*电池寿命=(0.12Ah ×x50%)／(1.2× )=200,000小时=22.8年

2、关于电解液挥发支路

*电池于+60℃的寿命=19.1年

*计算：(19.1×22.8)(19.1+22.8)=10.4年

 

锂纽扣电池选用上的新方案与新途径

 

 

集成电池控制器与锂纽扣电池组装应用

 

如果系统包括由备用电池供电的SRAM或RTC时，选用适当的电池控制器非常重要，这些控制器在系统电源失效时能够自动切换到电池供电，它们还提供反向充电保护功能，符合(美国)保险商实验所或其它测试机构的要求。当不少厂商,如Dallas Semiconductor公司能提供独立的电池控制器，允许系统设计人员根据电池容量或布板要求选择。独立的电池控制器在适合特定应用的同时也会额外增加系统成本。最终用户不仅需要选择和采购适当的电池，而且制造流程也需要适应特定的电池。受电池容量的制约，制造过程中必须保证没有任何负载施加到电池上。这就要求采用绝缘的或非导电的工具搬运电池，然而,设计中的多数其它元件由于对ESD敏感,必须采用导电的工具搬运。构成锂电池的材料限制了其温度承受能力，回流焊会导致电池损坏，这就需要考虑电池的安装方式，是利用机械托架装在PCB板上还是直接焊接在PCB板上?机械托架可以通过自动设备和回流焊安装在PCB板上，当高温处理完成后再装载电池。采用机械托架可以避免温度过高对电池的影响，但最终系统必须依靠机械接触使电池固定到位。如果将电池焊接在PCB板上，则需购买带有接头的电池，并在回流焊完成后再手工焊装。

 

值得注意的是，利用电池控制器和单独的电池时还需考虑制造过程的清洁问题，即使是一点离子污染物的痕迹也能产生电量泄漏通路，作用在电池上的负载等同于IC负载，将会大大缩短电池寿命。

 

电池模块产品

 

采用包含了电池控制器和电池的模块产品能够避免以上讨论的问题，模块制造商具有符合要求的工艺，在安装电池时不会对其造成损伤，模块结构也有利于隔离电池与最终用户的应用环境,避免离子污染问题，有效延长电池寿命。

 

此外，Dallas Semiconductor公司的模块具有“休眠模式’,在系统首次上电之前隔离电池。这一特点允许模块装配并完全测试后再将负载断开，使这些产品能够在不从电池吸取任何电流的条件下长期保存。值得注意的是，电池模块产品比集成电池控制器与锂纽扣电池应用的组装应用价格要高

 

结束语

 

应该说Dallas Semiconductor公司设计和制造的电池备用产品能够为最终用户提供符合规定的电池寿命，电池寿命是在“最坏条件”下计算的，并假设器件100%的依靠电池供电、通过对电池损耗机制的理解。最终用户根据供电占空比和电池温度可以合理、精确地预测系统寿命。

 

如果用户决定选择Dallas Semiconductor公司的电池控制器并自己为系统选配电池，需慎重考虑电池特性，适当的挑选IC并对电池进行测试以保证电池容量能够满足系统使用寿命的要求。