来自锂离子(或 LiPo)电池的稳压 3.3V

电器工程 电池 电压调节器 直流-直流转换器 锂离子
2022-01-06 05:52:03

背景

我希望用锂离子或 LiPo 电池(可能是容量约为 1000 mAh 的电池)为我的电路供电。这些电池在放电周期中的电压通常为 4.2V 至 2.7V 。

我的电路(以 3.3V 运行)的最大电流要求为 400mA——尽管我应该声明这只是大约 5% 的时间发生的峰值消耗;该电路在其余 95% 的时间内仅消耗约 5mA 电流)。

将锂离子电池的(变化的)输出电压转换为所需的 3.3V 为我的电路提供高达 400 mA 的峰值电流消耗的最佳方法是什么?“最佳方式”是指最有效的电压转换,以充分利用电池容量。

对我来说棘手的部分是锂离子电池电压有时会高于有时低于我要求的最终电压这一事实!如果只是这两者之一,我可能会分别使用 LDO 稳压器或升压 IC,如 TPS61200。

4个回答

您应该尝试使用 BUCK-BOOST DC/DC 转换器。有效率在 90% 以上的可以查看 TI 和 Linear 网站;有“计算器”可以帮助你:

选项:

  • 线性稳压器将与任何替代方案一样好。

  • 合适的稳压器部件选项(价格便宜且在大约 400-500 mA 电流下具有低于 200mV 的低压差电压)包括:TPS73633、TPS73733、TPS79533、TPS79633、LD39080DT33、LD39150PT33、MIC5353-3.3、ADP124ARHZ-3.3

  • 对于大部分电池电压范围,效率将接近或超过 90%。

  • 可能有 80% 以上的电池容量可用,并且如果 Vbattery 没有降得太低,则在电池中留下一些容量将有益地增加电池循环寿命,因为 LiPo 和 LiIon 电池“磨损更少”。

  • 如果设计得非常仔细,降压稳压器可以获得更好的效率,但在许多情况下不会。

TPS72633 数据表- 固定 3.3V 输出,<= 5.5V 输入。在 400 mA 的温度范围内压差远低于 100 mV。Digikey 的价格约为 2.55 美元/1 美元,随成交量而下降。

TPS737xx 数据表高达 1A,在 1A 时典型压差为 130mV。

LD39080... 数据表800 mA,压差正常。


您说负载在短时间内是 400 mA 峰值,但在 95% 的时间内 <= 5 mA。你没有说你想使用什么电池容量,但让我们假设 1000 mAh 容量 - 在物理上不是非常大的电池并且在手机等中很常见。

如果需要 3.3V,那么很容易实现 Vin >= 3.4V 的稳压器,甚至更容易实现 3.5V。

那么,在室温下 0.4 C 时,我们可以获得多少百分比的电池容量?根据下图 - 对于 1000 mAh 电池,在 400 mA 时可能超过 75%,在 5 mA 时接近 100%。见下文。

对于 Vout = 3.3V 和 90% 效率,Vin = 3.3 x 100%/90% = 3.666 = 3.7V。因此,高达 3.7V 的线性稳压器提供 >= 90% - 使用降压转换器可能会超过该值,但必须非常小心。即使在 Vin = 4.0V 时,效率 = 3.3/4 = 82.5%,而且很快 Vin 就会低于此值,因此在大多数情况下,线性稳压器的效率将接近或高于 90%,而使用大部分电池容量。

虽然我觉得 D Pollit 的 Vbattery_min 的 3.7V 数字在这种情况下太高了,但使用 3.5V 或 3.4V 的数字将提供大部分电池容量,并有助于延长电池循环寿命。


作为温度和负载因素的容量: 400 mA = 0.4C。

下面的左图来自最初引用的 Sanyo LiPo 数据表在 0.5C 放电时,电压在大约 2400 mAh 或 2400/2700 = 2700 Ah 标称容量的 88% 时降至 3.5V 以下。

右图显示了在不同温度下以 C/1 (~= 2700 mA) 的电流放电。在 0 C(0 摄氏度)的温度下,电压在约 1400 mAh 时降至 3.5V 以下,但在 25 C 时约为 2400 mAh(如左图所示),因此随着温度下降,我们可以预期容量会大幅下降,但要说 10 C,你会期望 2000 mAh 或更多。这是在 C/1 放电时,在本例中 400 mA = 0.4C,5 mA 的 95% 放电率可能会接近满标称容量。

在此处输入图像描述

我会尝试以下方法之一:

  • 升压直到它不低于3.3V,然后调节到这个值
  • 使用两节电池串联
  • 尝试重新设计电路;一些标称电压为 3.3V 的 IC 甚至可以在 2.5V 下工作

获取 LFP(磷酸铁锂)电池。标称电压约为 3.2V,工作电压范围为 3.0 至 3.3V。将锂离子电池的电压从 4.7V 降至 3.7V 以下只会损害其寿命,因为它与放电深度成反比