鋰電池供電電源電路設(shè)計最強分析及鋰電池工作原理

鋰電池供電電源電路設(shè)計分析

鋰電池供電電源電路設(shè)計分析如下文，“鋰電池”，是一類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。鋰電池大致可分為兩類：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)幾個國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

單節(jié)鋰電池供電電源電路設(shè)計，包括升壓、充電管理等電路設(shè)計，一款基于鋰電池供電的產(chǎn)品，對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太陽能板或安卓手機充電器直接充電；

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，筆者通過查資料得知，一般標(biāo)稱為3.7V的鋰電池的電壓范圍是在2.8V~4.2V，如果說想要得到穩(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實現(xiàn)。那么該如何選擇電源芯片呢？

首先，要得到5V電壓的話，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LDO來實現(xiàn)呢？沒毛病，實現(xiàn)也確實能實現(xiàn)，只不過，似乎有點浪費鋰電池的電量，因為不管是哪款LDO，始終都是輸入電壓要高于輸出電壓的，這樣一來，以得到3.3V電壓為例，鋰電池的電壓最多放到3.3V多一點，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，這樣似乎就能滿足我們的要求了。

當(dāng)然，市面上的升壓和降壓的芯片確實是比較多，筆者之前嘗試過了一種方案，但是感覺不是特別好，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，對之前的電路進(jìn)行了改善。那么廢話不多說，接下來，筆者就跟大家來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，同時自帶鋰電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。

眼尖的高手們或許發(fā)現(xiàn)了筆者電路上的一個問題，那就是，鋰電池充電部分并沒有帶保護電路，是不是有安全隱患？其實不然，因為筆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)帶了保護板，所以筆者也就沒有再多此一舉了，那樣也浪費物料。

下面我們就來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，外圍電路也是很簡單。

其次就是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，在平時用不上4G模塊的時候，是需要將4G模塊的電源單獨斷開的，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來穩(wěn)壓了。關(guān)于3.3V的穩(wěn)壓芯片實在是太多了，筆者也就隨手選了一個性價比還不錯的ME6211來使用了。

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，我們也可以選擇一個自帶升壓降壓的芯片來實現(xiàn)，就無需先升壓再降壓了，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候，很多時候還是要考慮帶載能力、功耗、體積、價格等方面的因素，大家在應(yīng)用中還是要根據(jù)自己的實際情況作出合理的選擇。

鋰電池工作原理

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。不同的正極材料對照：

正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。

充電時：LiFePO4 → Li1-xFePO4+xLi++xe-放電時：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)：放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入。

充電時：xLi++xe- +6C→LixC6

放電時：LixC6→xLi++xe- +6C

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