智能家居中電池特性分析及設計方案

    鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年05月22日  

    現在,智能樓宇自動化中加入了越來越多的智能傳感器,比如智能貓眼,門鈴,便攜式攝像頭以及煙感等。這些產品通常采用電池供電,如常見的18650鋰電池,AA 干電池。那么在電池供電的產品中,如何設計合理的供電方案是延長電池使用時間是重點問題。


    文章會首先會分析常用電池的特性分析,其次以可視化門鈴為例提供技術設計方案。


    1. 不同電池特性分析


    在智能家居產品中,常用的電池類型主要是干電池和鋰電池。鋰電池又分為18650 圓柱型電池,聚合物鋰電池,鎳氫電池等。由于電池電壓會隨著電池使用而降低,對后級電路設計提出了要求。下面是這三種鋰電池分別的特性:


    電池類型 18650圓柱型電池 聚合物鋰電池 鎳氫電池
    特性 -能量密度高。
    -工作電壓平臺高。
    -循環壽命長。
    -自放電小
    - 重量親,體積薄,容量密度高
    - 充放電特性好
    - 無記憶效應
    -成本低
    - 快充特性好
    - 壽命長,無記憶效應
    - 工作溫度范圍廣


    無論是哪種類型的鋰電池,其放電特性和電量曲線基本一致。下圖1是鋰電池不同放電率下電壓和電量的關系曲線。


    圖1 鋰電池不同放電率電壓和電量關系


    從圖1中可以看出不同的放電率,電池電壓和電量的關系是不同的,同時也和工作溫度相關。因此,不能針對電池的電壓來判斷電池是否有電量。通常情況下,鋰電池電壓掉到3V時,電池基本沒有剩余電量,此時即使通過升壓芯片,也無法提供足夠的能量供負載使用。


    同時,下圖2展示了在不同負載情況下,電池電壓和電量的關系。在不同的負載情況下,相同的電池電壓, 剩余電池電量也會產生很大的差距。SOC (State of Charge)為鋰電池中可用電能的狀態,通常以百分比表示。相對荷電狀態的范圍是0%-100%,電池完全充電時是100%,完全放電時是0%。負載電流又分為脈沖電流和持續電流,在脈沖電流和持續電流放電情況下,電池的放電曲線也會不同,比如MCU, Sub-1G類負載在啟動時都會產生脈沖電流,對于LED等為持續電流。


    圖2 不同負載下電池電壓和電量的關系


    另一類應用廣泛的電池為紐扣電池和干電池。常見的堿性紐扣電池標稱電壓為1.5V,鋰紐扣電池為3V.干電池的工作電壓為0.7V~1.5V,當電池放電到電壓低于0.7V時將不能正常工作。同時,其恒流放電曲線也和外界環境因素相關。下圖3和圖4分別為鋰紐扣電池和干電池電池的恒流放電曲線:


    圖3 鋰紐扣電池電壓和電量關系


    圖4 干電池電壓和電量關系


    從上面兩張圖可以看出,以3V系統為例,針對紐扣電池,當電池電壓下降到2.5V時,電池依然留有剩余電量可以供系統使用。但由于電池電壓太低,無法提供足夠的電壓,為了進一步延長電池使用時間,需要將2.5V電壓升壓到滿足系統工作水平。


    2. 電源設計應用舉例


    考慮到現在的電池供電智能家居產品中,通常會采用無線方式進行數據的傳輸,比如WIFI 藍牙等。如前文所述,當通信設備瞬間啟動時,會有一個較大的啟動電流 (通常1A~2A) 瞬間將電池電壓拉低。當電池電壓過低時,導致后面的電源芯片進入UVLO,系統停止工作。結合以上分析電池電壓和電量的應用,在進行電源設計時,可以使用buck-boost 芯片來滿足常用的應用場合。


    結合到電池低功耗的需求,需要靜態電流較低的IC,通常為nA /uA級別。結合到智能家居中WIFI/BLE 包括speaker 和LED 的使用,會需要較大的工作電流,一般為1A~2A 左右。低Iq 的 2A輸出電流的buck-boost 芯片TPS63802就非常適用于這一類應用。


    TPS63802 是一款靜態電流11uA 2A輸出的buck-boost 芯片,輸入電壓范圍從1.3V~5.5V, 能夠覆蓋大部分智能家居產品的應用,幫助用戶進一步減小設計體積。根據TI 的參考設計,整體設計尺寸可以降低至~28mm. 詳細信息,可以參考TI 官網,TPS63802 技術資料。


    下面圖5以可視化門鈴為例,TI 提供了完整的設計方案,所有技術資料均可以在TI 官網下載查詢。


    圖5 可視化門鈴參考設計


    審核編輯:郭婷


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