Регулируемый 3,3 В от литий-ионной (или LiPo) батареи

Задний план

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

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

Вопрос

Как лучше всего преобразовать (изменяющееся) выходное напряжение литий-ионной батареи в требуемое 3,3 В для питания моей цепи с пиковым потреблением тока до 400 мА? Под «наилучшим способом» я подразумеваю наиболее эффективное преобразование напряжения, чтобы максимально эффективно использовать емкость аккумулятора.

Самым сложным для меня было то, что напряжение литий-ионной батареи будет выше, а иногда и ниже моего требуемого конечного напряжения! Если бы это был только один из этих двух, я бы, вероятно, использовал бы либо регулятор LDO, либо интегральную микросхему усиления, такую ​​как TPS61200, соответственно.

Вам следует попробовать преобразователь BUCK-BOOST DC / DC. Доступно с эффективностью выше 90%. Проверьте сайты TI и Linear; Есть «калькуляторы», которые помогут вам:

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

Опции:

• TPS63031
• TPS63001

• Линейный регулятор подойдет как и любая альтернатива.

• Варианты подходящих частей регулятора (недорогие и с низким падением напряжения ниже 200 мВ при токе 400-500 мА) включают в себя следующее: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

• Эффективность будет близка или выше 90% для большей части диапазона напряжения батареи.

• Вероятно, будет доступно более 80% емкости батареи, а оставшаяся емкость в батарее будет полезна для увеличения срока службы батареи, так как батареи LiPo и LiIon «изнашиваются меньше», если Vbattery не падает слишком низко.

• Долговечный регулятор может получить лучшую эффективность, если будет чрезвычайно тщательно продуман, но во многих случаях этого не произойдет.

Спецификация TPS72633 - фиксированный выход 3,3 В, <= 5,5 В. Значительно меньше 100 мВ при 400 мА во всем диапазоне температур. Около $ 2,55 / 1 на Digikey, падает с объемом.

Техническое описание TPS737xx до 1А с выпадением 130 мВ, типичным для 1А.

LD39080 ... Техническое описание 800 мА, отсев ОК.

Вы говорите, что нагрузка составляет 400 мА в течение коротких периодов, но <= 5 мА в 95% случаев. Вы не говорите, какую емкость батареи вы хотите использовать, но давайте предположим, что емкость 1000 мАч - физически не очень большая батарея, обычная для мобильных телефонов и т. Д.

Если требуется 3,3 В, тогда легко получить регулятор с Vin> = 3,4 В, а еще 3,5 В.

Так какой% емкости батареи мы получаем при 0,4 С при комнатной температуре? На основании приведенных ниже графиков - вероятно, более 75% при 400 мА и около 100% при 5 мА для батареи емкостью 1000 мАч. Увидеть ниже.

Для Vout = 3,3 В и КПД 90% Vin = 3,3 x 100% / 90% = 3,666 = 3,7 В. Таким образом, до 3,7 В линейный регулятор дает> = 90% - что можно превзойти с помощью понижающего преобразователя, но только с большой осторожностью. Даже при Vin = 4,0 В КПД = 3,3 / 4 = 82,5%, и для Vin не требуется много времени, чтобы упасть ниже этого значения, поэтому в большинстве случаев эффективность линейного регулятора будет близка к 90% или выше при использовании Большая часть емкости аккумулятора.

Хотя я чувствую, что показатель D Pollit, равный 3,7 В для Vbattery_min, в этом случае слишком высок, использование цифры 3,5 В или 3,4 В обеспечит большую часть емкости батареи и продлит срок ее службы.

Емкость как фактор температуры и нагрузки: 400 мА = 0,4 ° С.

График слева внизу из таблицы данных Sanyo LiPo, которая была первоначально процитирована . При разряде 0,5 ° C напряжение падает ниже 3,5 В при 2400 мАч или 2400/2700 = 88% от номинальной емкости 2700 Ач.

Правый график показывает разряд при токе C / 1 (~ = 2700 мА) при различных температурах. При температуре 0 C (0 градусов Цельсия) напряжение падает ниже 3,5 В при температуре около 1400 мАч, но при 25 C это около 2400 мАч (согласно левому графику), поэтому при падении температуры можно ожидать существенного падения емкости, но скажем, 10 C вы ожидаете 2000 мАч или более. Это при разряде C / 1, 400 мА = 0,4 ° С в этом примере, и скорость разряда 95%, равная 5 мА, вероятно, даст почти полную номинальную емкость.

Я бы попробовал один из следующих методов:

• повышайте напряжение до тех пор, пока оно не упадет ниже 3,3 В, а затем уменьшите его до этого значения
• используйте две батареи в серии
• попытаться изменить дизайн цирка; некоторые микросхемы с номинальным напряжением 3,3 В будут работать даже при 2,5 В

Получите батарею LFP (литиевый феррофосфат). Номинальное напряжение составляет около 3,2 В, а рабочее напряжение составляет от 3,0 до 3,3 В. Разряд литий-ионной батареи с 4,7 В ниже 3,7 В просто вреден для ее жизни, поскольку он обратно пропорционален глубине разряда.

Честно говоря, регулятор LDO, вероятно, достаточно хорош. Когда Li-Po элемент падает до 3,3 В, он выдает большую часть своей мощности (см. Кривую липоразряда). Многие устройства (esp8266, nrf24l01 и т. Д.), В которых указано номинальное напряжение 3,3 В, будут работать значительно ниже 3,3 В.

В качестве практического примера я построил спидометр с модулями беспроводного передатчика и приемника / дисплея, используя модули NRF24L01 для беспроводных и линейных регуляторов BA33BC0T. Напряжение ячейки передатчика и приемника отображается на дисплее приемника и на практике оно составляет около 3,1-3,0 В. Я езжу в (эти устройства работают в) температуры от 5 до 30 градусов C.

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