ควบคุม 3.3V จากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (หรือ LiPo)

พื้นหลัง

ฉันต้องการจ่ายไฟให้กับวงจรด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือ LiPo (น่าจะเป็นแบตเตอรี่ที่มีความจุประมาณ 1,000 mAh) แบตเตอรี่เหล่านี้มีแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนจาก 4.2V เป็น 2.7V โดยทั่วไปในระหว่างรอบการปล่อย

วงจรของฉัน (ทำงานที่ 3.3V) มีความต้องการกระแสสูงสุด 400mA - แม้ว่าฉันควรระบุว่านี่เป็นเพียงการดึงสูงสุดที่เกิดขึ้นประมาณ 5% ของเวลา; วงจรดึงเพียงประมาณ 5mA ที่เหลืออีก 95% ของเวลา)

คำถาม

อะไรจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการแปลงแรงดันเอาต์พุต (เปลี่ยน) ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็น 3.3V ที่ต้องการเพื่อเพิ่มกำลังงานของวงจรของฉันด้วยกระแสสูงสุดถึง 400 mA? โดย "วิธีที่ดีที่สุด" ฉันหมายถึงการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพที่สุดเพื่อใช้ประโยชน์จากความจุของแบตเตอรี่ให้ดีที่สุด

ส่วนที่ยุ่งยากสำหรับฉันคือความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ Li-ion บางครั้งจะสูงกว่าและบางครั้งก็เป็นแรงดันสุดท้ายที่ฉันต้องการ! ถ้ามันเป็นเพียงหนึ่งในสองอันนั้นฉันอาจจะใช้ตัวควบคุม LDO หรือ IC เร่งเช่น TPS61200 ตามลำดับ

คุณควรลองใช้ตัวแปลง DC / DC ของ BUCK-BOOST มีให้บริการที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า 90% ตรวจสอบเว็บไซต์ TI และเว็บไซต์เชิงเส้น มี "เครื่องคิดเลข" ที่จะช่วยคุณ:

• http://www.ti.com/lsds/ti/analog/powermanagement/power_portal.page
• http://parametric.linear.com/buck-boost_regulator

ตัวเลือก:

• TPS63031
• TPS63001

• ตัวควบคุมเชิงเส้นจะทำเช่นเดียวกับทางเลือกอื่น ๆ

• ตัวเลือกของชิ้นส่วนควบคุมที่เหมาะสม (ราคาไม่แพงและมีแรงดันตกคร่อมต่ำกว่า 200mV ที่ประมาณ 400-500 mA ปัจจุบัน) ประกอบด้วยต่อไปนี้: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

• ประสิทธิภาพจะใกล้เคียงหรือมากกว่า 90% สำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่

• อาจมีความจุของแบตเตอรี่ 80% + และความจุบางส่วนในแบตเตอรี่จะเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เนื่องจากแบตเตอรี่ LiPo และ LiIon "เสื่อมสภาพน้อยลง" ถ้า Vbattery ไม่ลดลงต่ำเกินไป

• ตัวควบคุมบัคสามารถรับประสิทธิภาพที่ดีขึ้นได้หากออกแบบอย่างระมัดระวัง แต่ในหลายกรณีจะไม่

TPS72633 แผ่นข้อมูล - แก้ไข 3.3V out, <= 5.5V in. มีค่าต่ำกว่า 100 mV ที่ 400 mA ตลอดช่วงอุณหภูมิ ประมาณ $ US2.55 / 1 ที่ Digikey ลดลงด้วยปริมาณ

TPS737xx แผ่นข้อมูลสูงถึง 1A พร้อม 130 mV แบบออกกลางคันที่ 1A

LD39080 ... แผ่นข้อมูล 800 mA, ออกกลางคันตกลง

คุณบอกว่าโหลดเป็นยอดสูงสุด 400 mA ในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ <= 5 mA สำหรับ 95% ของเวลา คุณไม่ได้พูดความจุของแบตเตอรี่ที่คุณต้องการใช้ แต่ลองใช้ความจุ 1,000 mAh - ไม่ใช่แบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่มากและในมือถือทั่วไป

ถ้าต้องการ 3.3V ก็สามารถทำได้โดยใช้ตัวควบคุม Vin> = 3.4V และ 3.5V ในนั้น

ดังนั้นความจุของแบตเตอรี่ที่เราได้รับคือ 0.4 C ที่อุณหภูมิห้อง? ขึ้นอยู่กับกราฟด้านล่าง - อาจมากกว่า 75% ที่ 400 mA และใกล้ถึง 100% ที่ 5 mA สำหรับแบตเตอรี่ 1000 mAh ดูด้านล่าง

สำหรับ Vout = 3.3V และประสิทธิภาพ 90% Vin = 3.3 x 100% / 90% = 3.666 = 3.7V ดังนั้นสูงถึง 3.7V ตัวควบคุมเชิงเส้นให้> = 90% - ซึ่งเป็นไปได้ที่จะมีตัวแปลงบั๊กสูงกว่า แต่มีความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่ง แม้แต่ที่ Vin = 4.0V, ประสิทธิภาพ = 3.3 / 4 = 82.5% และไม่นานสำหรับ Vin ที่จะลดลงต่ำกว่านี้ดังนั้นในกรณีส่วนใหญ่ประสิทธิภาพของตัวควบคุมเชิงเส้นจะใกล้เคียงหรือสูงกว่า 90% ในขณะที่ใช้ ส่วนใหญ่ของความจุของแบตเตอรี่

ในขณะที่ฉันรู้สึกว่ารูปของ D Pollit ที่ 3.7V สำหรับ Vbattery_min นั้นสูงเกินไปในกรณีนี้การใช้รูปที่ 3.5V หรือ 3.4V จะให้ความจุของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ให้เป็นประโยชน์

ความจุเป็นปัจจัยของอุณหภูมิและโหลด: 400 mA = 0.4C

กราฟด้านซ้ายมือด้านล่างจากแผ่นข้อมูล Sanyo LiPo ซึ่งถูกยกมา ที่ 0.5C คายประจุแรงดันจะลดลงต่ำกว่า 3.5V ที่ประมาณ 2400 mAh หรือ 2400/2700 = 88% ของความจุปกติที่ 2700 Ah

กราฟมือขวาแสดงการคายประจุที่กระแส C / 1 (~ = 2700 mA) ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ที่อุณหภูมิ 0 C (0 องศาเซลเซียส) แรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่า 3.5V ที่ประมาณ 1,400 mAh แต่ที่ 25 C จะอยู่ที่ 2,400 mAh (ตามกราฟมือซ้าย) ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิลดลงเราจึงคาดหวังว่ากำลังการผลิตจะลดลงอย่างมาก แต่ลงไปพูด 10 C ที่คุณคาดหวัง 2,000 mAh หรือมากกว่า นั่นคือที่การปล่อย C / 1, 400 mA = 0.4C ในตัวอย่างนี้และ 95% อัตราการปล่อย 5 mA อาจจะให้ความจุใกล้เคียงเต็ม

ฉันจะลองวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

• เพิ่มแรงดันไฟฟ้าจนกว่าจะไม่ลดลงต่ำกว่า 3.3V จากนั้นควบคุมลงไปที่ค่านี้
• ใช้แบตเตอรี่สองก้อนในซีรีย์
• พยายามออกแบบ Circut ใหม่ ไอซีบางตัวที่มีแรงดันไฟฟ้าน้อยที่ 3.3V จะทำงานได้แม้ที่ 2.5V

รับแบตเตอรี่ LFP (ลิเธียมเฟอร์โรฟอสเฟต) แรงดันไฟฟ้าปกติมีค่าประมาณ 3.2V และช่วงแรงดันใช้งานอยู่ที่ 3.0 ถึง 3.3V การระบายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของคุณจาก 4.7V ลงต่ำกว่า 3.7V เป็นอันตรายต่อชีวิตเนื่องจากมีสัดส่วนผกผันกับความลึกของการปลดปล่อย

พูดตามตรงแล้วผู้ควบคุม LDO น่าจะดีพอ เมื่อเซลล์ Li-Po ลดลงเหลือ 3.3 โวลต์เซลล์จะให้พลังงานส่วนใหญ่ (ดูเส้นโค้งการปลดปล่อย lipo) อุปกรณ์จำนวนมาก (esp8266, nrf24l01 และอื่น ๆ ) ที่ระบุแหล่งจ่าย 3.3V ระบุจะทำงานได้ดีต่ำกว่า 3.3V

ตัวอย่างการใช้งานจริงฉันสร้างมาตรวัดความเร็วด้วยโมดูลตัวส่งและตัวรับสัญญาณไร้สาย / จอแสดงผลโดยใช้โมดูล NRF24L01 สำหรับตัวควบคุมเชิงเส้นแบบไร้สายและ BA33BC0T ทั้งแรงดันของเครื่องส่งสัญญาณและตัวรับสัญญาณจะแสดงบนหน้าจอของตัวรับและในทางปฏิบัติพวกมันจะตัดรอบ 3.1-3.0V ฉันขี่ใน (อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานใน) อุณหภูมิจาก 5 ถึง 30 องศาเซลเซียส

โปรดจำไว้ว่าแผ่นข้อมูลของตัวควบคุม LDO นี้อ้างถึงความแตกต่าง 0.3V-0.5VI / O (ฉันคิดว่า?) และ NRF24L01 เสนอราคาช่วงอุปทาน 3.0V-3.6V นี่เป็นสิ่งที่ดีจริงๆสำหรับโครงการ Li-Po