Maxim制造了大量包含锂硬币电池的产品，在没有系统电源的情况下提供非易失性(NV)存储器或实时时钟(RTC)功能。这些产品的典型规格是在没有系统电源的情况下提供10年的电池寿命。由于最终应用的不确定性，寿命预测是保守的。

最终用户应该评估其特定应用程序的预期生命周期，特别是对于超出典型商业环境或需要达到10年以上生命周期的应用程序。对可靠性模型的理解也有利于用户选择购买分立电池控制器并将其与电池组合在一起，而不是购买包含控制器和电池的模块产品。本文向读者概述了影响集成电路(IC)寿命的主要因素，集成电路可以由系统电源供电，也可以由锂电池作为备用电源供电。

为什么是电池备份?

在系统断电时，有几种数据保留的备选方案。当读写速度或循环次数很重要时，电池支持的sram是可靠的选择。闪存或EEPROM也提供NV数据存储，但以简单性或速度为代价。电池支持的SRAM的主要缺点是电池是消耗品。因此，产品选择必须考虑电池内的可用电量，以确定最终产品的使用寿命。对于需要在没有系统电源的情况下保持时间的设备，需要某种形式的电能来维持晶体振荡器。这种电流需求非常适合由电池来维持。

IC电流需求

如果IC (SRAM或RTC)将由电池供电，则需要在IC的当前需求，预期寿命和电池可用能量之间进行匹配。如果正在购买IC和电池，则数据表规格提供所需的信息，以预测电池的寿命作为IC负载的函数。如果集成电路和电池作为一个模块购买，最终用户可以依赖模块制造商有适当的屏幕，以确保系统寿命符合规格。

Maxim对其所有电池支持的产品建立了筛选限制，允许可用电池容量为终端部件供电，规定使用寿命长达10年。在Maxim ic的情况下，设计和晶圆厂工艺已经优化，以产生低电流需求。在从外部供应商购买高密度sram的情况下，有时需要进行特殊筛选，以确保满足模块寿命规格。图1是由松下报告的电池容量产生的。图1所示的四条线代表了四种最常见的电池尺寸(BR1225、BR1632、BR2330和BR3032)。电池制造商的额定电容量(毫安时)显示在每种电池尺寸上。

图1所示 寿命基于从电池中抽出的电流量

电池结构/属性

Maxim选择在需要备用电池的模块中使用初级锂硬币电池。这些电池的额定电压为3V，典型的系统内电压约为2.7V，因此非常适合作为备用电源。在电池放电期间，电压也保持稳定(图2)，因此寿命结束时的电压几乎与新电池相同。虽然平坦的放电曲线是理想的备用电源电压，但它确实使预测剩余电容量变得困难。

图2 放电时输出电压保持恒定

一次锂硬币电池有一个非常可预测的行为。诸如开路电压或内部阻抗等关键参数的分布非常紧密。这些严格的分布允许电池制造商在他们的过程中设置积极的测试限制，以确保不正常的电池被排除在人群之外。这些紧密的分布也允许电池的用户识别包含缺陷的IC/电池系统。例如，由于电压分布和电压与电池负载的关系是非常可预测的，因此附加负载后的电池电压可以作为放置在电池上的负载的指标。如果电池负载的电流要求是一个性能良好的ic分布，那么所得到的负载电压也是紧密分布的。在正态分布之外看到的任何负载电压都是IC或电池异常的指示。此结果可用于拒绝作为潜在可靠性风险的结果模块。

电池测试/检查

电池制造商的100%测试创造了一个非常一致的产品。然而，任何使用电池作为其系统的组成部分的人都应该采用测试方法来确保只有正常工作的电池才包括在最终产品中。通过适当定义的屏幕可以检测到三种类型的缺陷。首先是电池制造商系统的测试逃逸。这些是最容易发现的。第二种形式的缺陷是低水平的内漏。电池可能存在内部缺陷，只有在一段时间后才会显现出来。检测这些细胞不仅需要彻底了解适当的检测水平，而且需要了解预期的结果分布。第三类缺陷是电池使用者的处理或制造缺陷。由于可用的电容量有限，即使在短时间内放置在电池上的无意负载也会导致电寿命缩短。

全面的筛选程序包括在制造过程的关键步骤中对电气特性进行100%的测试。由于电性能的可预测性，在负载加载前后测量电池电压可以识别出异常的电池。这种筛选还可以识别不典型的负载。除了电气筛选外，电池的视觉抽样还有助于识别可能导致防泄漏性能下降的制造变化。

电池可靠性模型

电池是一种“平衡结构”，其反应性成分的数量应导致完全反应。电反应的关键组成部分是金属锂、阴极和电解质。电池制造商的目标是最大限度地利用电池中的可用能量。由于电池的内部体积是有限的，最大的能量密度是实现当组件在正确的比例。因此，任何组分的损失都限制了其他组分的可用反应。电池的可靠性模型考虑了平衡结构，并试图确定导致任何关键部件耗尽的原因。

由于电池是系统中的消耗品，因此对电池寿命的最明显限制是放置在电池上的电负载。基于电负载的寿命很容易计算。只需将可用电池容量(毫安小时)除以当前需求(毫安小时)，即可得到以小时为单位的寿命。确定电池的寿命作为电负载的函数还需要考虑通电占空比。在一个设计合理的系统中，当系统供电时，电池是电隔离的。这消除了任何电池电流耗尽或充电。减少的占空比有效地延长了系统中电池的使用寿命，这些系统在很大程度上是通电的，并且仅在短时间内依赖电池备份。

由于这些电池在非常低电流或零电流的应用中使用，用户还需要寻找其他可能的机制来耗尽任何反应性组件。其中一种机制是通过卷曲密封损失电解质。该机制被证明是温度加速的，活化能约为1.0eV。在室温下，电池表现出每年不到0.5%的电损失率，这一机制可以被安全地忽略。然而，在高温下，电解液的损失率会变得显著，必须加以考虑。

由于反应组分的平衡性质，无论电反应是消耗电解质还是由于温度升高而通过密封排出都无关紧要。当电池没有足够的电解液来继续反应时，电池就不再提供电流。因此，我们建议使用并行模型进行寿命预测，在预测系统寿命时考虑电需求和温度(图3)。有些模型将电和温度损耗腿视为独立的，并预测寿命，就好像电解质损耗的两个组成部分之间没有相互作用一样。如果系统暴露在比室温高得多的温度下，使用这种模型会夸大实际寿命。

图3 电池寿命基于电解液蒸发和电量消耗

图4 自放电率随温度的升高而升高

计算电池的寿命在概念上类似于计算两个并联电阻的有效电阻。用户可以控制IC是否从电池或系统电源中消耗功率，因此显示的电流消耗腿包括一个开关。当集成电路从系统电源供电时，由于电流消耗的寿命可以近似为无限。

集成电路/电池系统的制造商可以控制所选择的组件和制造过程。正确选择的组件和制造屏幕应该会产生足够的系统级寿命。但是，最终用户可以根据系统的实际使用情况控制最终的生命周期性能。最终用户可以控制模型的两条腿。负载腿通过设备的通电占空比来控制。当应用系统电源时，Maxim组件包括电池隔离电路，可对电池进行电气隔离，并消除电池的所有电流损耗。因此，可靠性模型的负荷腿仅在系统备电状态下才有效。系统环境温度控制温度加速腿。提供足够的冷却和适当的组件放置可以帮助减少电池的温度暴露，从而延长系统的使用寿命。

样本寿命计算

案例一

该系统被设计为在室温下100%处于备用电池状态。电解质在室温下的蒸发非常低，几乎可以忽略。寿命受IC电流损耗的限制。

电力消耗法例

电池容量(BR1632) = 120mAh
IC电流损耗= 1.2µA
占空比= 100%
电池寿命= (0.12Ah)/(1.2 × 10(-6)A) = 100,000小时= 11.4年

电解液蒸发腿

电池在+25°C下的寿命= 230年
计算:(230 × 11.4)/(230 + 11.4) = 10.9年

案例二

系统设计为在+60°C下50%的时间处于备用电池状态。由于电消耗或电解液蒸发的寿命似乎约为20年。两种机制的结合导致电解液在10年内被消耗。

电力消耗法例

电池容量(BR1632) = 120mAh
IC电流损耗= 1.2µA
电池寿命= (0.12Ah × 50%)/(1.2 × 10(-6)A) = 200000小时= 22.8年

电解液蒸发腿

电池在+60°C下的寿命= 19.1年
计算公式:(19.1 × 22.8)/(19.1 + 22.8) = 10.4年

集成电池控制器

如果一个系统包含电池支持的SRAM或RTC，使用合适的电池控制器是很重要的。这些控制器在电源故障时处理从系统电源到电池电源的切换。他们还提供芯片上的反充电保护要求承销商实验室或其他测试机构。Maxim销售独立电池控制器，允许系统设计人员根据电池容量需求或布局限制定制系统。

虽然独立电池控制器非常适合某些应用，但它们的使用会带来一些额外的成本。最终用户不仅必须选择和获得合适的电池，而且制造过程也必须适应特定的电池要求。由于电池的可用容量有限，因此制造过程必须确保电池不会受到意外负载的影响。这就要求使用绝缘或不导电的工具来处理电池，而设计中的许多其他组件都是ESD敏感的，应该使用导电工具来处理。

锂电池结构中使用的材料限制了它们的温度暴露能力。单次通过回流焊操作就会破坏电池，这就提出了一个问题，即电池是应该用机械支架连接到PCB上，还是应该焊接到PCB上。机械支架可以使用自动化设备和回流焊料连接到PCB上。高温处理完成后再插入电池。机械支架消除了电池的任何温度暴露，但最终的系统取决于将电池固定在适当位置的机械触点。用焊料将电池连接到PCB上需要购买标签电池，并在所有回流焊操作完成后手工焊接该组件。

使用电池控制器和独立电池的最后一个问题是制造过程的清洁度。即使是微量的离子污染物也会导致电泄漏路径，从而使电池上的负载等于设计的IC负载。这大大缩短了系统的有效寿命。

电池模组产品

使用包含电池控制器和电池的模块产品可以避免上面讨论的一些问题。模块制造商有必要的工艺来处理电池而不会降解，模块结构也有助于将电池与最终用户的环境隔离开来，从而避免一些离子污染问题。最终的结果可以最大限度地延长电池寿命。

此外，许多Maxim模块都包含“睡眠模式”功能，该功能可以隔离电池，直到系统首次供电。该功能允许模块产品进行组装和全面测试;然后将电负载从电池中移除。因此，这些部件可以在不从电池中移除任何电荷的情况下长时间留在库存中。

结论

Maxim的备用电池产品的设计和制造为最终用户提供指定的使用寿命。这个寿命是在“最坏情况”下计算的，并假设该部件在100%的时间内都处于备用电池状态。通过了解电池耗尽的机制，最终用户可以根据通电占空比和电池温度暴露合理准确地预测系统寿命。

如果用户决定选择Maxim销售的一款电池控制器，并在系统中提供自己的电池，则在选择过程中应考虑电池的性质。需要进行适当的IC筛选和电池测试，以确保可用容量足以提供所需的使用寿命。