Регулируемое 3,3 В от литий-ионного (или LiPo) аккумулятора

Задний план

Я хочу питать свою схему от литий-ионной или LiPo батареи (вероятно, от батареи емкостью около 1000 мАч). Эти батареи имеют напряжение , которое обычно изменяется от 4,2 В до 2,7 В во время цикла разрядки.

Моя схема (работающая при напряжении 3,3 В) требует максимального тока 400 мА, хотя я должен сказать, что это только пиковое потребление, происходящее примерно в 5% случаев; схема потребляет всего около 5 мА в оставшиеся 95% времени).

Вопрос

Каков наилучший способ преобразовать (изменяющееся) выходное напряжение литий-ионной батареи в требуемые 3,3 В для питания моей схемы с пиковым потреблением тока до 400 мА? Под «наилучшим способом» я подразумеваю наиболее эффективное преобразование напряжения, чтобы наилучшим образом использовать емкость аккумулятора.

Сложность для меня заключалась в том, что напряжение литий-ионной батареи будет иногда ВЫШЕ, а иногда НИЖЕ моего требуемого конечного напряжения! Если бы это был только один из этих двух, я бы, вероятно, просто использовал либо регулятор LDO, либо повышающую микросхему, такую ​​​​как TPS61200, соответственно.

Вы не хотите разряжать липо ниже 3,7 В, по крайней мере, если вы планируете снова заряжать его.
@ChrisStratton: 3,7 вольта?? Я почти уверен, что защита от пониженного напряжения на LiPo и Li-ion установлена ​​​​около 2,7 В, если вы это имеете в виду.
Нет, если вы хотите, чтобы литий-полимерные элементы сохраняли свою емкость для зарядки в будущем, это не так. Если вы хотите получить от них наилучший срок службы, не позволяйте им падать ниже 3,7 В (возможно, 3,6 В снаружи).
Любопытно об этом - не могли бы вы предоставить источник? Я спрашиваю, потому что, глядя на кривую разряда любого LiPoly (и Li-ion), оказывается, что точка напряжения совпадает примерно с половиной разряженной емкости.
Почти все это при комнатной температуре, особенно если у вас есть самонагрев.
@ChrisStratton: Согласно кривым разряда при комнатной температуре от Sanyo , при 3,7 Вольтах было использовано только около 50% емкости при скорости разряда 1,0C. И я не знаю какой-либо литературы, в которой говорится, что срок службы батареи LiPo или сохранение емкости улучшаются, если избегать разряда ниже 3,7 В. Пожалуйста, укажите источник того, что вы говорите; это определенно была бы ценная информация для меня, если то, что вы говорите, действительно верно.
Среди пользователей липосакции общеизвестно, что вы не хотите переезжать через колено, иначе вы уменьшите их возможности. Если вы можете получить регулятор с достаточно низким падением напряжения, это также существенно упростит вашу конструкцию.
Я знаю, что это, вероятно, не сработает, но я хотел бы знать, почему, если кто-то здесь может ответить. Будет ли работать стабилитрон с прямым напряжением 3,3 В?
Хм, хороший вопрос о диоде Зенера... Я думаю, что недостатками использования этого подхода здесь будут ограничения по максимальному току нагрузки, а также неэффективность (т.е. потеря мощности) и отсутствие очень стабильного выходного напряжения. Вероятно, также были бы проблемы с изменением напряжения питания. Может ли кто-нибудь дать авторитетный ответ на вопрос @capcom?
@boardbite Действительно, ток нагрузки является ограничением? Я не слишком уверен, я новичок в электронике, но проверьте 1N4728. Я не думаю, что стабильное напряжение является проблемой, какая стабильность вам нужна для вашей схемы. Я хотел бы знать преимущества и недостатки этого подхода от профессионала.
@capcom - хотя ограничение тока стабилитрона в некоторых случаях может быть проблемой, более очевидной проблемой является резистор, на котором вы фактически сбрасываете напряжение. Если вы используете маломощный резистор для случайных сильноточных нагрузок, вы в конечном итоге теряете много энергии; если вы используете резистор большего размера, то большой ток приведет к достаточному падению напряжения на резисторе, чтобы выходное напряжение упало ниже напряжения стабилитрона. В результате резистор и стабилитрон просто не являются подходящим типом регулирования для чего-то, что питается от батареи и испытывает большие колебания нагрузки.
@ChrisStratton Подождите, зачем вам резистор с стабилитроном? Вы имеете в виду падение тока, поступающего на диод, из-за его предела? Однако мне любопытно, почему стабилитроны имеют такие низкие ограничения по току, и есть ли способ обойти это? Спасибо, Крис!

Ответы (5)

Вы должны попробовать с DC/DC преобразователем BUCK-BOOST. Доступны с КПД выше 90% Загляните на сайты TI и Linear; есть "калькуляторы", которые вам помогут:

Параметры:

Использовал их диаграмму и в настоящее время изучаю TPS63031 или TPS63001 как возможные варианты .
Linear Technology также предлагает несколько полностью синхронных повышающе-понижающих контроллеров. Вы не найдете более эффективного подхода, чем синхронный buck-boost. Другие топологии, такие как SEPIC, не столь эффективны.
@Madmanguruman: Действительно! И некоторые из них доступны в «больших» пакетах MSOP: parametric.linear.com/buck-boost_regulator
TPS63031 и TPS63001 отвечают всем требованиям, и поэтому я добавил их в этот ответ, но для потомков ответ будет обновлен, как только я более подробно изучу линейные параметры.

  • Линейный регулятор подойдет не хуже любой альтернативы.

  • Варианты подходящих частей регулятора (недорогих и с низким падением напряжения менее 200 мВ при токе около 400-500 мА) включают следующие: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

  • КПД будет близок или выше 90% для большей части диапазона напряжения батареи.

  • Вероятно, будет доступно более 80% емкости батареи, и сохранение некоторой емкости в батарее полезно увеличит срок службы батареи, поскольку LiPo и LiIon батареи «меньше изнашиваются», если Vbattery не падает слишком низко.

  • Понижающий регулятор мог бы повысить эффективность, если бы был очень тщательно спроектирован, но во многих случаях этого не происходит.

Техническое описание TPS72633 - фиксированное 3,3 В на выходе, <= 5,5 В на входе. Падение значительно ниже 100 мВ при 400 мА во всем диапазоне температур. Около 2,55 долларов США за 1 штуку в Digikey падает с увеличением объема.

Спецификация TPS737xx до 1 А с падением напряжения 130 мВ, типичным при 1 А.

LD39080... техническое описание 800 мА, сброс в норме.

Вы говорите, что пиковая нагрузка составляет 400 мА в течение коротких периодов, но <= 5 мА в течение 95% времени. Вы не говорите, какую емкость аккумулятора вы хотите использовать, но давайте предположим, что емкость составляет 1000 мАч — физически не очень большая батарея, распространенная в мобильных телефонах и т. д.

Если требуется 3,3 В, то регулятор с Vin >= 3,4 В легко достигается, а 3,5 В тем более.

Итак, какой % емкости батареи мы получаем при 0,4 C при комнатной температуре? Судя по приведенным ниже графикам, вероятно, более 75% при 400 мА и близко к 100% при 5 мА для батареи емкостью 1000 мАч. Смотри ниже.

Для Vout = 3,3 В и эффективности 90 % Vin = 3,3 x 100 %/90 % = 3,666 = 3,7 В. Таким образом, до 3,7 В линейный регулятор дает >= 90%, что можно превысить с помощью понижающего преобразователя, но только с большой осторожностью. Даже при Vin = 4,0 В КПД = 3,3/4 = 82,5%, и Vвх быстро опускается ниже этого значения, так что в большинстве случаев КПД линейного регулятора будет близок или выше 90%, а при использовании большую часть емкости аккумулятора.

Хотя мне кажется, что цифра 3,7 В D Pollit для Vbattery_min в этом случае слишком высока, использование значений 3,5 В или 3,4 В обеспечит большую часть емкости батареи и с пользой продлит срок службы батареи.

Емкость в зависимости от температуры и нагрузки: 400 мА = 0,4°С.

Левый график ниже из таблицы данных Sanyo LiPo, которая была первоначально процитирована . При разряде 0,5С напряжение падает ниже 3,5В примерно при 2400 мАч или 2400/2700 = 88% от номинальной емкости 2700 Ач.

На правом графике показан разряд током C/1 (~= 2700 мА) при различных температурах. При температуре 0 C (0 градусов Цельсия) напряжение падает ниже 3,5 В при емкости около 1400 мАч, а при 25 C — около 2400 мАч (согласно левому графику), поэтому при понижении температуры можно ожидать существенного падения емкости, но до 10 C вы ожидаете 2000 мАч или больше. Это при разряде C/1, 400 мА = 0,4 °C в этом примере и 95% разряда при токе 5 мА, вероятно, будет близка к полной номинальной емкости.

введите описание изображения здесь

Это упростило бы компоновку; оцените приведенный выше анализ. Но я никогда не использовал часть, которая обеспечивает до ~ 500 мА с достаточно низким падением напряжения (скажем, 150 мВ или меньше, как вы предложили); Есть ли такая общая часть?
С помощью Digikey & Mouser я нашел несколько подходящих и недорогих LDO-стабилизаторов с малым падением напряжения для тока 400-500 мА. Я отредактировал ваш ответ, чтобы включить эти варианты для будущих читателей, интересующихся Li-ion -> 3,3 В.
@boardbite Ссылка на TPS72633 не работает, и я не могу найти для нее таблицы данных через Google. Для TPS737xx я не могу найти его I_Q в таблице данных — в этой таблице указано только I_Q_shutdown. Тем не менее, digikey перечисляет часть с I_Q=400 мкА, что довольно много. Для LD39080 его I_Q составляет 1 мА, что также относительно много. Похоже, что детали Richtek RT9080, Ablic S-1155 и S-1172 имеют гораздо лучшие характеристики.

Я бы попробовал один из следующих способов:

  • повышайте напряжение до тех пор, пока оно не упадет ниже 3,3 В, а затем регулируйте его до этого значения.
  • используйте две батареи последовательно
  • попытаться перепроектировать схему; некоторые микросхемы с номинальным напряжением 3,3 В будут работать даже при 2,5 В.
2-я и 3-я идеи, хотя и полезно знать, не являются вариантами в моем случае. Что касается 1-го варианта, не могли бы вы сказать, что отдельно сначала повышать его, а затем регулировать, это довольно неэффективный метод?
Правда, ничего другого мне в голову не приходит.

Приобретите аккумулятор LFP (литий-феррофосфат). Номинальное напряжение составляет около 3,2 В, а рабочее напряжение колеблется от 3,0 до 3,3 В. Разрядка вашей литий-ионной батареи с 4,7 В до уровня ниже 3,7 В просто вредна для ее жизни, поскольку она обратно пропорциональна глубине разряда.

Честно говоря, регулятор LDO, вероятно, достаточно хорош. Когда литий-полимерный элемент падает до 3,3 В, он израсходовал большую часть своей мощности (см. кривую разряда липо). Многие устройства (esp8266, nrf24l01 и т. д.) с номинальным напряжением питания 3,3 В будут работать при напряжении значительно ниже 3,3 В.

В качестве практического примера я построил спидометр с модулями беспроводного передатчика и приемника/отображения, используя модули NRF24L01 для беспроводного и линейного регуляторов BA33BC0T. Напряжение ячеек передатчика и приемника отображается на дисплее приемника, и на практике они отключаются в районе 3,1-3,0 В. Я езжу (эти устройства работают) при температуре от 5 до 30 градусов.

Имея в виду, что в техническом описании этого регулятора LDO указана разница в 0,3–0,5 В/В (я так думаю?), а в NRF24L01 указан диапазон питания 3,0–3,6 В, это действительно хорошо для проекта Li-Po.

Регулируемое 3,3 В от литий-ионного (или LiPo) аккумулятора
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v