3.7V锂电池供电系统设计(含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图) |
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锂电池供电系统
一、锂电池
锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时,锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以,在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现,而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池,简称锂电池。 二次锂电池具有高能量密度、无记忆效应、重量轻、无污染、循环寿命长、自放电小等优点。 聚合物锂电池具有以下优点:无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体;可制成薄型电池:3.6V400mAh的容量,其厚度可薄至0.5mm;电池可设计成多种形状;电池可弯曲变形:高分子电池最大可弯曲900左右;可制成单颗高电压:液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压,高分子电池由于本身无液体,可在单颗内做成多层组合来达到高电压;容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍。 锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V),。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极的内阻略大,其放电曲线也略有差别,如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的,锂离子电池的终止放电电压为 2.5V~2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。锂电池标注中,3.7V指电池使用过程中放电的平台电压,而4.2伏指的是充电满电时的电压。 锂电池需充足电后保存。在20℃下可储存半年以上,锂电池适宜在低温下保存。 在锂电池供电系统中,需要三个电路:①锂电池充电电路,锂电池的充电要求较高,需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电;②锂电池保护电路,保护电路为锂电池提供过充电、过放电、短路过流、过温保护;③锂电池输出电路,3.7V锂电池充满电后为4.2V,放电平台电压为3.7V,对于嵌入式系统或其他负载电路来说,需要将3.7V电压升降压为5V、3.3V等电压才能使用。 锂电池基础问题:https://blog.csdn.net/dddxxxx/article/details/55104433 锂电池应用电路:https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/110270332 二、锂电池充放电 1、锂电池充放电要求(1)、锂电池的充电:锂电池的充电要求较高,需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电,通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。 锂电池过充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压为4.2V。在电池充满电后在继续充电,会导致电池的过充电。由于在设计时,锂电池负极容量要比正极容量高,过充电会导致正极的锂离子被消耗太多,损耗电池进而使电池报废。 充电电流(mA)=0.1~1.5倍电池容量(如1000mAh的电池,其充电电流可控制在100~1500mA之间)。充电电流在0.2C-0.8C之间比较适宜,常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约为2~3小时。 (2)、锂电池的放电:因锂电池的内部结构所致,放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。 放电终止电压通常为 3.0V/节,最低不能低于2.5V/节。一般根据放电电流来确定放电截止电压。0.2C-2C放电一般设定1.0V/支,3C 以上如5C或10C放电设定为0.8V/支。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池放电电流 (mA)不应超过电池容量的3倍。(如1000mAH电池,则放电电流应严格控制在3A以内)否则会使电池损坏。 2、锂电池充电过程 锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段:涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。 锂电池的充电方式是限压恒流,都是由IC芯片控制的,典型的充电方式是:先检测待充电电池的电压,如果电压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为 4.20V。此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。下图为充电曲线。 上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃),那么充电会暂停。 充电结束后,如检测到电池电压低于充电IC的再充电门限电压将重新充电。 3、锂电池充电方案 锂电池的充电要求较高,需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电,充电电流在0.2C-0.8C之间比较适宜,下面介绍采用TP4056充电IC的锂电池充电方案。 TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的SOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构,加上防倒充电路,所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节,以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V,而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时,TP4056将自动终止充电循环。 TP4056X充电IC相较于TP4056增加了电池正负极反接保护、输入电源正负极反接保护和短路保护,采用底部带有散热器的ESOP/EMSOP封装。当充电完成后,若BAT引脚电压4.12V的再充电门限电压以下,继续下一个充电循环。 TP4056X锂电池充电电路: 锂电池在使用过程中严禁过充电、过放电和短路故障,否则将会引起电池寿命缩短或起火、爆炸等事故,因此可充型锂电池都会连接一块充放电保护电路板(常简称保护板)来保护锂电池的安全。 保护电路由控制IC、MOSFET开关管、熔断保险丝、电阻、电容等元件组成。控制IC输出控制信号控制MOSFET开关管导通,使锂电池与外部电路连接,当锂电池电压或回路电流超过规定值时,控制IC控制MOSFET开关管关断,断开锂电池和外部电路的连接,保护锂电池。 FS312F保护IC相较于DW01来说,过充检测电压为4.25V,过充释放电压为4.15V;过放检测电压为2.9V,过放释放电压为3.0V;过放检测电压较高一些,可以防止锂电池过放更深。 对于DW06保护IC,已经内部集成了功率MOS,无需外接8205A开关管,其他参数与DW01一致。 3.7V锂电池充满电后为4.2V,放电平台电压为3.7V,对于嵌入式系统或其他负载电路来说,需要将3.7V电压升降压为5V、3.3V等电压才能使用,因此需要设计一定的升降压电路来将锂电池输出电压稳定在5V、3.3V。 3.7V锂电池充满电后为4.2V,放电平台电压为3.7V,锂电池放电至80%时电池电压为3.7V,放电至90%时为3.5V,对于带有锂电池保护板的锂电池来说,其放电最低电压为3V,则锂电池的输出电压范围为3~4.2V。 对于3.3V供电系统,由于锂电池放电至90%时仍然有3.5V的输出电压,选用一个低压差的LDO即可满足要求;如果想要压榨锂电池容量极限,则可以选择升降压芯片,将3~4.2V电压转化为3.3V电压,但升降压芯片价格较贵且不宜选择。 对于5V及以下电压供电系统,需要将锂电池电压先升高至5V,再将5V电压经过LDO或DCDC降压芯片转化至3.3V。 (1)3.7V升5V锂电池升压方案: PW5300是电流模式升压DC-DC转换器。其内置0.2Ω功率MOSFET的PWM电路使该稳压器具有效率高的功率效率。内部补偿网络还可以程度地减少了6个外部元件的数量。误差放大器的同相输入连接到0.6V精密基准电压,内部软启动功能可以减低浪涌电流,PW5300采用SOT23-6L封装,为应用提供节省空间的PCB。 PW2057,输出电压固定3.3V,最大输出电流0.7A,可以节省了2个调压电阻。同步整流效率高。 在锂电池和USB电源供电系统中,在没有USB外接电源时,整个系统使用锂电池供电,当存在USB外接电源时,系统供电切换至外接电源,需要在锂电池和USB电源之间加入一个电源切换电路。 锂电池外接电源切换电路:https://strongerhuang.blog.csdn.net/article/details/104832112 锂电池外接电源切换电路仿真:https://blog.csdn.net/jwdeng1995/article/details/111403131 锂电池外接电源切换电路和软开关电路:https://blog.csdn.net/weixin_34221276/article/details/85711981 USB和锂电池供电电路设计:https://blog.csdn.net/qq_43521534/article/details/104184764 六、硬件开关机电路 一般来说,为了实现对系统的硬件电源切断,会使用直接的机械开关进行控制电源的通断。但是由于机械开关存在着体积较大(不利于小型化设计),且由于磨损导致寿命较短等缺点,按键开关越来越多的被使用,下面介绍一种比较简单的实现电路: 电源切换电路及硬件开关电路: 对于锂电池供电系统来说,需要设计三种电路:充电、保护、供电电路,电路设计比较复杂,体积较大。对于一些移动电源IC来说,集成了锂电池充电、保护和同步升压电路,可输出5V电源,使用起来较为方便,如TP5400、TP5410、IP5306等。利用这些移动电源IC,可直接实现锂电池5V供电系统设计。 锂电池供电电路:https://blog.csdn.net/weixin_39471542/article/details/103715759 |
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