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智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案

發(fā)布時間:2020-05-13 來源:Betty Guo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品中,如何設(shè)計合理的供電方案是延長電池使用時間是重點(diǎn)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(shù)設(shè)計方案。
 
1. 不同電池特性分析
 
在智能家居產(chǎn)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(shè)計提出了要求。下面是這三種鋰電池分別的特性:
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
 
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(guān)系曲線。
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
圖1 鋰電池不同放電率電壓和電量關(guān)系
 
從圖1中可以看出不同的放電率,電池電壓和電量的關(guān)系是不同的,同時也和工作溫度相關(guān)。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(fù)載使用。
 
同時,下圖2展示了在不同負(fù)載情況下,電池電壓和電量的關(guān)系。在不同的負(fù)載情況下,相同的電池電壓, 剩余電池電量也會產(chǎn)生很大的差距。SOC (State of Charge)為鋰電池中可用電能的狀態(tài),通常以百分比表示。相對荷電狀態(tài)的范圍是0%-100%,電池完全充電時是100%,完全放電時是0%。負(fù)載電流又分為脈沖電流和持續(xù)電流,在脈沖電流和持續(xù)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(fù)載在啟動時都會產(chǎn)生脈沖電流,對于LED等為持續(xù)電流。
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
圖2 不同負(fù)載下電池電壓和電量的關(guān)系
 
另一類應(yīng)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(biāo)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(dāng)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(huán)境因素相關(guān)。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:
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
圖3 鋰紐扣電池電壓和電量關(guān)系 
 
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
圖4 干電池電壓和電量關(guān)系 
 
從上面兩張圖可以看出,以3V系統(tǒng)為例,針對紐扣電池,當(dāng)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(tǒng)使用。但由于電池電壓太低,無法提供足夠的電壓,為了進(jìn)一步延長電池使用時間,需要將2.5V電壓升壓到滿足系統(tǒng)工作水平。
 
2. 電源設(shè)計應(yīng)用舉例
 
考慮到現(xiàn)在的電池供電智能家居產(chǎn)品中,通常會采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,比如WIFI 藍(lán)牙等。如前文所述,當(dāng)通信設(shè)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(dāng)電池電壓過低時,導(dǎo)致后面的電源芯片進(jìn)入UVLO,系統(tǒng)停止工作。結(jié)合以上分析電池電壓和電量的應(yīng)用,在進(jìn)行電源設(shè)計時,可以使用buck-boost 芯片來滿足常用的應(yīng)用場合。
 
結(jié)合到電池低功耗的需求,需要靜態(tài)電流較低的IC,通常為nA /uA級別。結(jié)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(yīng)用。
 
TPS63802 是一款靜態(tài)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(chǎn)品的應(yīng)用,幫助用戶進(jìn)一步減小設(shè)計體積。根據(jù)TI 的參考設(shè)計,整體設(shè)計尺寸可以降低至~28mm. 詳細(xì)信息,可以參考TI 官網(wǎng),TPS63802 技術(shù)資料。
 
下面圖5以可視化門鈴為例,TI 提供了完整的設(shè)計方案,所有技術(shù)資料均可以在TI 官網(wǎng)下載查詢。
 
智能家居中電池特性分析及設(shè)計方案
圖5 可視化門鈴參考設(shè)計
 
參考文獻(xiàn):
 
1. TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802
 
2. TI 可視化門鈴參考設(shè)計:http://www.ti.com/solution/video-doorbell
 
3. Energizer technical information: https://data.energizer.com/battery-handbook-crosssections
 
4. 18650 鋰電池電壓和電量的關(guān)系http://www.cbea.com/ldc/201902/749081.html
 
5. 可視化門鈴設(shè)計指南:http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067
 
6. 干電池剩余電量檢測研究:http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html
 
 
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