Regulowany 3,3 V z akumulatora litowo-jonowego (lub LiPo)

tło

Chcę zasilać swój obwód baterią litowo-jonową lub LiPo (prawdopodobnie baterią o pojemności około 1000 mAh). Akumulatory te mają napięcie , które idzie od 4.2V do 2.7V zazwyczaj w trakcie ich cyklu rozładowania.

Mój obwód (pracujący przy 3,3 V) wymaga maksymalnego prądu 400mA - chociaż powinienem stwierdzić, że jest to tylko szczytowy pobór występujący w około 5% przypadków; obwód pobiera tylko około 5 mA przez pozostałe 95% czasu.

Pytanie

Jaki byłby najlepszy sposób na konwersję (zmieniającego się) napięcia wyjściowego baterii litowo-jonowej na wymagane 3,3 V do zasilania mojego obwodu z poborem prądu szczytowego do 400 mA? Przez „najlepszy sposób” rozumiem najbardziej efektywną konwersję napięcia, aby jak najlepiej wykorzystać pojemność baterii.

Trudną rzeczą było dla mnie to, że napięcie akumulatora litowo-jonowego będzie czasem zarówno POWYŻEJ, a czasami PONIŻEJ wymaganego napięcia końcowego! Gdyby to był tylko jeden z tych dwóch, prawdopodobnie użyłbym albo regulatora LDO, albo układu wspomagającego, takiego jak TPS61200.

Powinieneś spróbować z przetwornikiem DC / DC BUCK-BOOST. Są dostępne z wydajnością powyżej 90% Sprawdź strony internetowe TI i Linear; istnieją „kalkulatory”, które mogłyby ci pomóc:

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

Opcje:

• TPS63031
• TPS63001

• Regulator liniowy poradzi sobie równie dobrze jak każda alternatywa.

• Opcje odpowiednich części regulatora (niedrogie i o niskim spadku napięcia poniżej 200 mV przy około 400-500 mA prądu) obejmują: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

• Wydajność będzie bliska lub ponad 90% dla większości zakresu napięcia akumulatora.

• Prawdopodobnie będzie dostępna ponad 80% pojemności baterii, a pozostawienie pewnej pojemności w akumulatorze korzystnie wpłynie na jego żywotność, ponieważ baterie LiPo i LiIon „zużywają się mniej”, jeśli Vbattery nie spadnie zbyt nisko.

• Regulator złotówki mógłby uzyskać lepszą wydajność, gdyby był wyjątkowo starannie zaprojektowany, ale w wielu przypadkach nie.

Arkusz danych TPS72633 - naprawiono brak napięcia 3,3 V, <= 5,5 V. Napięcie poniżej 100 mV przy 400 mA w całym zakresie temperatur. Około 2,55 USD / 1 w Digikey spada wraz z wolumenem.

Arkusz danych TPS737xx do 1A z zanikiem 130 mV typowo przy 1A.

LD39080 ... arkusz danych 800 mA, zanikanie OK.

Mówisz, że obciążenie jest szczytowe 400 mA w krótkich okresach, ale <= 5 mA przez 95% czasu. Nie mówisz, jakiej pojemności baterii chcesz użyć, ale załóżmy, że pojemność 1000 mAh - niezbyt duża bateria fizycznie i powszechna w telefonach komórkowych itp.

Jeśli potrzebne jest napięcie 3,3 V, wówczas można łatwo osiągnąć regulator o Vin> = 3,4 V, a jeszcze bardziej 3,5 V.

Jaki procent pojemności baterii uzyskujemy przy 0,4 C w temperaturze pokojowej? Na podstawie poniższych wykresów - prawdopodobnie ponad 75% przy 400 mA i blisko 100% przy 5 mA dla baterii 1000 mAh. Patrz poniżej.

Dla Vout = 3,3 V i sprawności 90%, Vin = 3,3 x 100% / 90% = 3,666 = 3,7 V. Tak więc do 3,7 V liniowy regulator daje> = 90% - co można przekroczyć za pomocą konwertera buck, ale tylko z wielką ostrożnością. Nawet przy Vin = 4,0 V, sprawność = 3,3 / 4 = 82,5%, i Vin nie spada długo poniżej tego, więc w większości przypadków sprawność regulatora liniowego będzie bliska lub powyżej 90%, przy użyciu większość pojemności baterii.

Chociaż uważam, że wartość D Pollit wynosząca 3,7 V dla Vbattery_min jest w tym przypadku zbyt wysoka, użycie wartości 3,5 V lub 3,4 V zapewni znaczną większość pojemności baterii i użytecznie wydłuży cykl życia baterii.

Wydajność jako czynnik temperatury i obciążenia: 400 mA = 0,4 ° C.

Wykres po lewej stronie poniżej z arkusza danych Sanyo LiPo, który był pierwotnie cytowany . Przy rozładowaniu 0,5 C napięcie spada poniżej 3,5 V przy około 2400 mAh lub 2400/2700 = 88% pojemności nominalnej 2700 Ah.

Wykres po prawej stronie pokazuje rozładowanie przy prądzie C / 1 (~ = 2700 mA) w różnych temperaturach. W temperaturze 0 C (0 stopni Celsjusza) napięcie spada poniżej 3,5 V przy około 1400 mAh, ale przy 25 C jest to około 2400 mAh (zgodnie z wykresem po lewej stronie), więc przy spadkach temperatury możemy spodziewać się znacznego spadku pojemności, ale w dół, by powiedzieć, że 10 C spodziewasz się 2000 mAh lub więcej. To przy rozładowaniu C / 1, 400 mA = 0,4 C w tym przykładzie, a 95% szybkość rozładowania 5 mA prawdopodobnie da prawie pełną pojemność nominalną.

Wypróbowałbym jedną z następujących metod:

• podnosić napięcie, aż nie spadnie poniżej 3,3 V, a następnie obniżyć do tej wartości
• użyj dwóch baterii szeregowo
• spróbuj przeprojektować cyrk; niektóre układy scalone o napięciu nominalnym 3,3 V będą działać nawet przy 2,5 V.

Zdobądź baterię LFP (litoferrofosforan). Napięcie nominalne wynosi około 3,2 V, a napięcie robocze wynosi od 3,0 do 3,3 V. Opróżnianie akumulatora litowo-jonowego z 4,7 V poniżej 3,7 V jest po prostu szkodliwe dla jego żywotności, ponieważ jest odwrotnie proporcjonalne do głębokości rozładowania

Szczerze mówiąc, regulator LDO jest prawdopodobnie wystarczająco dobry. Kiedy ogniwo Li-Po obniża się do 3,3 V, dostarcza większość swojej mocy (patrz krzywa rozładowania lipo). Wiele urządzeń (esp8266, nrf24l01 itp.) O nominalnym zasilaniu 3,3 V będzie działać znacznie poniżej 3,3 V.

Jako praktyczny przykład zbudowałem prędkościomierz z bezprzewodowym modułem nadajnika i odbiornika / wyświetlacza przy użyciu modułów NRF24L01 dla regulatorów bezprzewodowych i liniowych BA33BC0T. Napięcie zarówno nadajnika, jak i komórki odbiornika są pokazywane na wyświetlaczu odbiornika i w praktyce odcinają się w okolicach 3,1-3,0 V. Wjeżdżam (te urządzenia działają) w temperaturach od 5 do 30 stopni C.

Pamiętając, że arkusz danych tego regulatora LDO podaje różnicę 0,3 V-0,5 VI / O (myślę?), A NRF24L01 podaje zakres zasilania 3,0 V-3,6 V, jest to naprawdę dobre dla projektu Li-Po.