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  • 鋰電池供電電源電路設計-延長鋰電池容量與壽命的注意事項
    • 發布時間:2020-06-06 16:57:10
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    鋰電池供電電源電路設計-延長鋰電池容量與壽命的注意事項
    鋰電池
    鋰電池供電電源電路設計解析,“鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。隨著科學技術的發展,現在鋰電池已經成為了主流。
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。
    鋰電池工作原理
    鋰金屬電池:
    鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。
    放電反應:Li+MnO2=LiMnO2
    鋰離子電池:鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。
    充電正極上發生的反應為:LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)
    充電負極上發生的反應為:6C+XLi++Xe- = LixC6
    充電電池總反應:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
    正極
    正極材料:可選的正極材料很多,主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照:
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    正極反應:放電時鋰離子嵌入,充電時鋰離子脫嵌。
    充電時:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+ +xe-放電時:Li1-xFePO4+xLi+ +xe- → LiFePO4。
    負極
    負極材料:多采用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。
    負極反應:放電時鋰離子脫嵌,充電時鋰離子嵌入。
    充電時:xLi+ + xe- + 6C → LixC6
    放電時:LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
    鋰電池供電電源電路設計解析
    單節鋰電池供電電源電路設計,包括升壓、充電管理等電路設計,一款基于鋰電池供電的產品,對于電源部分的大致要求是這樣的:
    1、由單節可充電鋰電池供電;
    2、板子自帶充電管理模塊,可外接5V太陽能板或安卓手機充電器直接充電;
    3、需要穩定輸出5V電壓,給5V模塊供電;
    4、需要穩定輸出3.8V電壓,瞬間帶載能力2A以上,給4G模塊供電模塊供電;
    5、需要穩定輸出3.3V電壓,給MCU和其他3.3V的電子模塊供電;
    首先,筆者通過查資料得知,一般標稱為3.7V的鋰電池的電壓范圍是在2.8V~4.2V,如果說想要得到穩定的5V、3.8V和3.3V電壓,顯然不能直接得到,需要借助特定電源芯片來實現。那么該如何選擇電源芯片呢?
    首先,要得到5V電壓的話,毋庸置疑,必須得用升壓芯片了。那么,3.8V和3.3V兩種電壓,是否可以直接由鋰電池經過LDO來實現呢?沒毛病,實現也確實能實現,只不過,似乎有點浪費鋰電池的電量,因為不管是哪款LDO,始終都是輸入電壓要高于輸出電壓的,這樣一來,以得到3.3V電壓為例,鋰電池的電壓最多放到3.3V多一點,就不能繼續得到穩定的3.3V電壓了,這樣顯然是不行的!
    思來想去,也只有采用“先升壓、再降壓”的方案了,選擇一款合適的升壓芯片,先將鋰電池的電壓升壓至5V,再通過降壓芯片,將電壓分別穩壓至3.8V和3.3V,這樣似乎就能滿足我們的要求了。
    當然,市面上的升壓和降壓的芯片確實是比較多,筆者之前嘗試過了一種方案,但是感覺不是特別好,于是,后面又找了另外一家的芯片。在廠家技術的指導下,對之前的電路進行了改善。那么廢話不多說,接下來,筆者就跟大家來分享一下我的這套方案。
    首先,是鋰電池充電管理部分,筆者選用的是TC4056A這款芯片來作為單節鋰電池的充電管理芯片:
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    這款TC4056A也是市面上比較常見的一款單節鋰電池充電管理芯片,充電電壓固定在4.2V,最大充電電流可大1A,同時自帶鋰電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結束的LED狀態引腳。
    高手們或許發現了筆者電路上的一個問題,那就是,鋰電池充電部分并沒有帶保護電路,是不是有安全隱患?其實不然,因為筆者使用的電池是鋁包電池,而非18650那種鋰電池,這種鋁包電池本身就已經帶了保護板,所以筆者也就沒有再多此一舉了,那樣也浪費物料。
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    接下來,我們就來看下升壓部分的電路,鋰電池升壓部分筆者采用了一顆型號為KF2185的同步升壓芯片,這款芯片的同步升壓效率最高可達94%,持續帶載能力可以達到2A以上,可調節電壓輸出,外圍電路也是很簡單。
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    接下來,就是3.8V的穩壓芯片,筆者這里選用的也是一款可以電壓輸出的芯片KF7416,這款芯片的轉換效率也是最高可達到95%,外圍電路也是非常的簡單,SOT23-6的封裝,也算是很節省空間了。
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    最后,就是3.3V電壓的穩壓電路了,關于3.3V電壓其實有兩種渠道可以獲得,一是從5V得到,另外一種就是從3.8V得到。由于筆者這里的3.8V是要給4G模塊供電的,而且,出于省電考慮,在平時用不上4G模塊的時候,是需要將4G模塊的電源單獨斷開的,而MCU和其他的3.3V的模塊又是需要一直上電的。
    因此,這里就不能直接用3.8V來穩壓了。關于3.3V的穩壓芯片實在是太多了,筆者也就隨手選了一個性價比還不錯的ME6211來使用了。
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    另外順便提下,在有些鋰電池應用中,如果不需要用到其他的電壓而只需要用到3.3V的電壓時,我們也可以選擇一個自帶升壓降壓的芯片來實現,就無需先升壓再降壓了,比如,筆者了解到的KF3448這款芯片,就能達到我們的目的:
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    當然,在選擇這些芯片的時候,很多時候還是要考慮帶載能力、功耗、體積、價格等方面的因素,大家在應用中還是要根據自己的實際情況作出合理的選擇。
    鋰電池的種類
    鋰電池,鋰電池供電電源電路
    延長鋰電池容量和壽命的注意事項
    1、如果長期用外接電源為筆記本電腦供電,或者電池電量已經超過80%,馬上取下電池。平時充電不需將電池充滿,充至80%左右即可。調整操作系統的電源選項,將電量警報調至20%以上,平時電池電量最低不要低于20%。
    2、手機等小型電子設備,充好電就應立刻斷開電源線 (包括充電功能的USB接口),一直連接會損害電池。要經常充電,但不必非得把電池充滿。
    3、無論是對筆記本還是手機等,都一定不要讓電池耗盡(自動關機)。
    4、如果要外出旅行,可把電池充滿,但在條件允許的情況下隨時為電器充電。
    5、使用更為智能省電的操作系統。
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