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  • 锂电池供电电源电路设计-延长锂电池容量与寿命
    • 发布时间:2019-11-02 15:33:48
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    锂电池供电电源电路如何设计-延长锂电池容量与寿命的注意事项
    锂电池
    锂电池供电电源电路设计解析,“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。
    锂电池,锂电池供电电源电路
    锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
    锂电池工作原理
    锂金属电池:
    锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
    放电反应:Li+MnO2=LiMnO2
    锂离子电池:锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
    充电正极上发生的反应为:LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)
    充电负极上发生的反应为:6C+XLi++Xe- = LixC6
    充电电池总反应:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
    正极
    正极材料:可选的正极材料很多,主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:
    锂电池,锂电池供电电源电路
    正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。
    充电时:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+ +xe-放电时:Li1-xFePO4+xLi+ +xe- → LiFePO4。
    负极
    负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
    负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。
    充电时:xLi+ + xe- + 6C → LixC6
    放电时:LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
    锂电池供电电源电路设计解析
    单节锂电池供电电源电路设计,包括升压、充电管理等电路设计,一款基于锂电池供电的产品,对于电源部分的大致要求是这样的:
    1、由单节可充电锂电池供电;
    2、板子自带充电管理模块,可外接5V太阳能板或安卓手机充电器直接充电;
    3、需要稳定输出5V电压,给5V模块供电;
    4、需要稳定输出3.8V电压,瞬间带载能力2A以上,给4G模块供电模块供电;
    5、需要稳定输出3.3V电压,给MCU和其他3.3V的电子模块供电;
    首先,笔者通过查资料得知,一般标称为3.7V的锂电池的电压范围是在2.8V~4.2V,如果说想要得到稳定的5V、3.8V和3.3V电压,显然不能直接得到,需要借助特定电源芯片来实现。那么该如何选择电源芯片呢?
    首先,要得到5V电压的话,毋庸置疑,必须得用升压芯片了。那么,3.8V和3.3V两种电压,是否可以直接由锂电池经过LDO来实现呢?没毛病,实现也确实能实现,只不过,似乎有点浪费锂电池的电量,因为不管是哪款LDO,始终都是输入电压要高于输出电压的,这样一来,以得到3.3V电压为例,锂电池的电压最多放到3.3V多一点,就不能继续得到稳定的3.3V电压了,这样显然是不行的!
    思来想去,也只有采用“先升压、再降压”的方案了,选择一款合适的升压芯片,先将锂电池的电压升压至5V,再通过降压芯片,将电压分别稳压至3.8V和3.3V,这样似乎就能满足我们的要求了。
    当然,市面上的升压和降压的芯片确实是比较多,笔者之前尝试过了一种方案,但是感觉不是特别好,于是,后面又找了另外一家的芯片。在厂家技术的指导下,对之前的电路进行了改善。那么废话不多说,接下来,笔者就跟大家来分享一下我的这套方案。
    首先,是锂电池充电管理部分,笔者选用的是TC4056A这款芯片来作为单节锂电池的充电管理芯片:
    锂电池,锂电池供电电源电路
    这款TC4056A也是市面上比较常见的一款单节锂电池充电管理芯片,充电电压固定在4.2V,最大充电电流可大1A,同时自带锂电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚。
    高手们或许发现了笔者电路上的一个问题,那就是,锂电池充电部分并没有带保护电路,是不是有安全隐患?其实不然,因为笔者使用的电池是铝包电池,而非18650那种锂电池,这种铝包电池本身就已经带了保护板,所以笔者也就没有再多此一举了,那样也浪费物料。
    锂电池,锂电池供电电源电路
    接下来,我们就来看下升压部分的电路,锂电池升压部分笔者采用了一颗型号为KF2185的同步升压芯片,这款芯片的同步升压效率最高可达94%,持续带载能力可以达到2A以上,可调节电压输出,外围电路也是很简单。
    锂电池,锂电池供电电源电路
    接下来,就是3.8V的稳压芯片,笔者这里选用的也是一款可以电压输出的芯片KF7416,这款芯片的转换效率也是最高可达到95%,外围电路也是非常的简单,SOT23-6的封装,也算是很节省空间了。
    锂电池,锂电池供电电源电路
    最后,就是3.3V电压的稳压电路了,关于3.3V电压其实有两种渠道可以获得,一是从5V得到,另外一种就是从3.8V得到。由于笔者这里的3.8V是要给4G模块供电的,而且,出于省电考虑,在平时用不上4G模块的时候,是需要将4G模块的电源单独断开的,而MCU和其他的3.3V的模块又是需要一直上电的。
    因此,这里就不能直接用3.8V来稳压了。关于3.3V的稳压芯片实在是太多了,笔者也就随手选了一个性价比还不错的ME6211来使用了。
    锂电池,锂电池供电电源电路
    另外顺便提下,在有些锂电池应用中,如果不需要用到其他的电压而只需要用到3.3V的电压时,我们也可以选择一个自带升压降压的芯片来实现,就无需先升压再降压了,比如,笔者了解到的KF3448这款芯片,就能达到我们的目的:
    锂电池,锂电池供电电源电路
    当然,在选择这些芯片的时候,很多时候还是要考虑带载能力、功耗、体积、价格等方面的因素,大家在应用中还是要根据自己的实际情况作出合理的选择。
    锂电池的种类
    锂电池,锂电池供电电源电路
    延长锂电池容量和寿命的注意事项
    1、如果长期用外接电源为笔记本电脑供电,或者电池电量已经超过80%,马上取下电池。平时充电不需将电池充满,充至80%左右即可。调整操作系统的电源选项,将电量警报调至20%以上,平时电池电量最低不要低于20%。
    2、手机等小型电子设备,充好电就应立刻断开电源线 (包括充电功能的USB接口),一直连接会损害电池。要经常充电,但不必非得把电池充满。
    3、无论是对笔记本还是手机等,都一定不要让电池耗尽(自动关机)。
    4、如果要外出旅行,可把电池充满,但在条件允许的情况下随时为电器充电。
    5、使用更为智能省电的操作系统。
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