鋰電池工作原理|鋰電池供電電源電路解析?-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-04-12
鋰電池供電電源電路設(shè)計(jì)解析，“鋰電池”，是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。
鋰電池大致可分為兩類(lèi)：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。
鋰金屬電池：
鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2
鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。
充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為：LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)
充電負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：6C+XLi++Xe- = LixC6
充電電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
正極
正極材料：可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：
正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。
充電時(shí)：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+ +xe-放電時(shí)：Li1-xFePO4+xLi+ +xe- → LiFePO4。
負(fù)極
負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。
負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。
充電時(shí)：xLi+ + xe- + 6C → LixC6
放電時(shí)：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
單節(jié)鋰電池供電電源電路設(shè)計(jì)，包括升壓、充電管理等電路設(shè)計(jì)，一款基于鋰電池供電的產(chǎn)品，對(duì)于電源部分的大致要求是這樣的：
1、由單節(jié)可充電鋰電池供電；
2、板子自帶充電管理模塊，可外接5V太陽(yáng)能板或安卓手機(jī)充電器直接充電；
3、需要穩(wěn)定輸出5V電壓，給5V模塊供電；
4、需要穩(wěn)定輸出3.8V電壓，瞬間帶載能力2A以上，給4G模塊供電模塊供電；
5、需要穩(wěn)定輸出3.3V電壓，給MCU和其他3.3V的電子模塊供電；
首先，筆者通過(guò)查資料得知，一般標(biāo)稱(chēng)為3.7V的鋰電池的電壓范圍是在2.8V~4.2V，如果說(shuō)想要得到穩(wěn)定的5V、3.8V和3.3V電壓，顯然不能直接得到，需要借助特定電源芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么該如何選擇電源芯片呢？
首先，要得到5V電壓的話(huà)，毋庸置疑，必須得用升壓芯片了。那么，3.8V和3.3V兩種電壓，是否可以直接由鋰電池經(jīng)過(guò)LDO來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？沒(méi)毛病，實(shí)現(xiàn)也確實(shí)能實(shí)現(xiàn)，只不過(guò)，似乎有點(diǎn)浪費(fèi)鋰電池的電量，因?yàn)椴还苁悄目頛DO，始終都是輸入電壓要高于輸出電壓的，這樣一來(lái)，以得到3.3V電壓為例，鋰電池的電壓最多放到3.3V多一點(diǎn)，就不能繼續(xù)得到穩(wěn)定的3.3V電壓了，這樣顯然是不行的！
思來(lái)想去，也只有采用“先升壓、再降壓”的方案了，選擇一款合適的升壓芯片，先將鋰電池的電壓升壓至5V，再通過(guò)降壓芯片，將電壓分別穩(wěn)壓至3.8V和3.3V，這樣似乎就能滿(mǎn)足我們的要求了。
當(dāng)然，市面上的升壓和降壓的芯片確實(shí)是比較多，筆者之前嘗試過(guò)了一種方案，但是感覺(jué)不是特別好，于是，后面又找了另外一家的芯片。在廠家技術(shù)的指導(dǎo)下，對(duì)之前的電路進(jìn)行了改善。那么廢話(huà)不多說(shuō)，接下來(lái)，筆者就跟大家來(lái)分享一下我的這套方案。
首先，是鋰電池充電管理部分，筆者選用的是TC4056A這款芯片來(lái)作為單節(jié)鋰電池的充電管理芯片：
這款TC4056A也是市面上比較常見(jiàn)的一款單節(jié)鋰電池充電管理芯片，充電電壓固定在4.2V，最大充電電流可大1A，同時(shí)自帶鋰電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。
高手們或許發(fā)現(xiàn)了筆者電路上的一個(gè)問(wèn)題，那就是，鋰電池充電部分并沒(méi)有帶保護(hù)電路，是不是有安全隱患？其實(shí)不然，因?yàn)楣P者使用的電池是鋁包電池，而非18650那種鋰電池，這種鋁包電池本身就已經(jīng)帶了保護(hù)板，所以筆者也就沒(méi)有再多此一舉了，那樣也浪費(fèi)物料。
接下來(lái)，我們就來(lái)看下升壓部分的電路，鋰電池升壓部分筆者采用了一顆型號(hào)為KF2185的同步升壓芯片，這款芯片的同步升壓效率最高可達(dá)94%，持續(xù)帶載能力可以達(dá)到2A以上，可調(diào)節(jié)電壓輸出，外圍電路也是很簡(jiǎn)單。
接下來(lái)，就是3.8V的穩(wěn)壓芯片，筆者這里選用的也是一款可以電壓輸出的芯片KF7416，這款芯片的轉(zhuǎn)換效率也是最高可達(dá)到95%，外圍電路也是非常的簡(jiǎn)單，SOT23-6的封裝，也算是很節(jié)省空間了。
最后，就是3.3V電壓的穩(wěn)壓電路了，關(guān)于3.3V電壓其實(shí)有兩種渠道可以獲得，一是從5V得到，另外一種就是從3.8V得到。由于筆者這里的3.8V是要給4G模塊供電的，而且，出于省電考慮，在平時(shí)用不上4G模塊的時(shí)候，是需要將4G模塊的電源單獨(dú)斷開(kāi)的，而MCU和其他的3.3V的模塊又是需要一直上電的。
因此，這里就不能直接用3.8V來(lái)穩(wěn)壓了。關(guān)于3.3V的穩(wěn)壓芯片實(shí)在是太多了，筆者也就隨手選了一個(gè)性?xún)r(jià)比還不錯(cuò)的ME6211來(lái)使用了。
另外順便提下，在有些鋰電池應(yīng)用中，如果不需要用到其他的電壓而只需要用到3.3V的電壓時(shí)，我們也可以選擇一個(gè)自帶升壓降壓的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，就無(wú)需先升壓再降壓了，比如，筆者了解到的KF3448這款芯片，就能達(dá)到我們的目的：
當(dāng)然，在選擇這些芯片的時(shí)候，很多時(shí)候還是要考慮帶載能力、功耗、體積、價(jià)格等方面的因素，大家在應(yīng)用中還是要根據(jù)自己的實(shí)際情況作出合理的選擇。
1、如果長(zhǎng)期用外接電源為筆記本電腦供電，或者電池電量已經(jīng)超過(guò)80%，馬上取下電池。平時(shí)充電不需將電池充滿(mǎn)，充至80%左右即可。調(diào)整操作系統(tǒng)的電源選項(xiàng)，將電量警報(bào)調(diào)至20%以上，平時(shí)電池電量最低不要低于20%。
2、手機(jī)等小型電子設(shè)備，充好電就應(yīng)立刻斷開(kāi)電源線 （包括充電功能的USB接口），一直連接會(huì)損害電池。要經(jīng)常充電，但不必非得把電池充滿(mǎn)。
3、無(wú)論是對(duì)筆記本還是手機(jī)等，都一定不要讓電池耗盡（自動(dòng)關(guān)機(jī)）。
4、如果要外出旅行，可把電池充滿(mǎn)，但在條件允許的情況下隨時(shí)為電器充電。
5、使用更為智能省電的操作系統(tǒng)。
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