Geregelte 3,3 V von einem Lithium-Ionen-Akku (oder LiPo-Akku)

Hintergrund

Ich möchte meine Schaltung mit einem Lithium-Ionen- oder LiPo-Akku (wahrscheinlich einem Akku mit einer Kapazität von ca. 1000 mAh) betreiben. Diese Batterien haben eine Spannung , die typischerweise während ihres Entladezyklus von 4,2 V bis 2,7 V reicht .

Mein Stromkreis (der mit 3,3 V betrieben wird) hat einen maximalen Strombedarf von 400 mA - obwohl ich festhalten sollte, dass dies nur der Spitzenverbrauch ist, der ungefähr 5% der Zeit auftritt; Die verbleibenden 95% der Zeit verbraucht die Schaltung nur etwa 5 mA.

Frage

Was wäre der beste Weg, um die (wechselnde) Ausgangsspannung eines Lithium-Ionen-Akkus in die erforderlichen 3,3 V umzuwandeln, um meinen Stromkreis mit einer Spitzenstromaufnahme von 400 mA zu versorgen? Mit "bester Weg" meine ich die effizienteste Spannungsumwandlung, um die Batteriekapazität optimal auszunutzen.

Der schwierige Teil für mich war die Tatsache, dass die Li-Ionen-Batteriespannung manchmal ÜBER und manchmal UNTER meiner erforderlichen Endspannung liegt! Wenn es nur einer von beiden wäre, hätte ich wahrscheinlich nur entweder einen LDO-Regler oder einen Boost-IC wie TPS61200 verwendet.

Sie sollten es mit dem BUCK-BOOST DC / DC-Wandler versuchen. Es sind Websites mit einer Effizienz von über 90% verfügbar. Schauen Sie sich die Websites von TI und Linear an. Es gibt "Taschenrechner", die Ihnen helfen würden:

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

Optionen:

• TPS63031
• TPS63001

• Ein linearer Regler kann genauso gut eingesetzt werden wie jede andere Alternative.

• Zu den geeigneten Optionen für Reglerteile (kostengünstig und mit einer Spannung unter 200 mV bei einem Strom von 400 bis 500 mA) gehören die folgenden: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

• Der Wirkungsgrad liegt für den größten Teil des Batteriespannungsbereichs nahe oder über 90%.

• Wahrscheinlich stehen mehr als 80% der Akkukapazität zur Verfügung, und das Belassen einer Kapazität im Akku verlängert die Lebensdauer des Akkuzyklus in nützlicher Weise, da LiPo- und LiIon-Akkus sich "weniger abnutzen", wenn die V-Batterie nicht zu niedrig wird.

• Ein Abwärtsregler könnte bessere Wirkungsgrade erzielen, wenn er äußerst sorgfältig konstruiert wird, in vielen Fällen jedoch nicht.

TPS72633 Datenblatt - Feste 3,3 V Ausgangsspannung, <= 5,5 V Eingangsspannung. Weit unter 100 mV Spannungsabfall bei 400 mA über den gesamten Temperaturbereich. Etwa 2,55 USD / 1 bei Digikey sinken mit dem Volumen.

TPS737xx Datenblatt bis 1A mit 130 mV Dropout typisch bei 1A.

LD39080 ... Datenblatt 800 mA, Ausfallende OK.

Sie sagen, die Last beträgt kurzzeitig 400 mA, aber in 95% der Fälle <= 5 mA. Sie sagen nicht, welche Akkukapazität Sie verwenden möchten, sondern nehmen eine Kapazität von 1000 mAh an - physisch und in Mobiltelefonen usw. keine sehr große Batterie.

Wenn 3,3 V gewünscht werden, wird ein Regler mit Vin> = 3,4 V leicht erreicht und 3,5 V sogar noch mehr.

Wie viel Prozent der Batteriekapazität erreichen wir bei Raumtemperatur bei 0,4 ° C? Basierend auf den folgenden Diagrammen - wahrscheinlich über 75% bei 400 mA und nahezu 100% bei 5 mA für eine 1000 mAh-Batterie. Siehe unten.

Für Vout = 3,3 V und einen Wirkungsgrad von 90% ist Vin = 3,3 × 100% / 90% = 3,666 = 3,7 V. Bis zu 3,7 V liefert ein linearer Regler also> = 90% - was mit einem Tiefsetzsteller aber nur mit größter Sorgfalt überschritten werden kann. Sogar bei Vin = 4,0 V beträgt der Wirkungsgrad 3,3 / 4 = 82,5%, und es dauert nicht lange, bis Vin diesen Wert unterschreitet. In den meisten Fällen liegt der Wirkungsgrad eines Linearreglers bei Verwendung des Reglers nahe oder über 90% Mehrheit der Batteriekapazität.

Obwohl ich der Meinung bin, dass D Pollits Wert von 3,7 V für Vbattery_min in diesem Fall zu hoch ist, liefert die Verwendung von 3,5 V oder 3,4 V den größten Teil der Batteriekapazität und verlängert die Lebensdauer der Batterie.

Kapazität als Faktor für Temperatur und Belastung: 400 mA = 0,4 ° C.

Die linke Grafik unten aus einem Sanyo LiPo-Datenblatt, das ursprünglich zitiert wurde . Bei 0,5 ° C Entladung sinkt die Spannung unter 3,5 V bei etwa 2400 mAh oder 2400/2700 = 88% der Nennkapazität von 2700 Ah.

Das rechte Diagramm zeigt die Entladung bei einem Strom von C / 1 (~ = 2700 mA) bei verschiedenen Temperaturen. Bei einer Temperatur von 0 ° C (0 ° C) fällt die Spannung bei ca. 1400 mAh unter 3,5 V, bei 25 ° C jedoch bei ca. 2400 mAh (gemäß linker Grafik). aber bis auf 10 C würde man 2000 mAh oder mehr erwarten. Das ist bei C / 1-Entladung, 400 mA = 0,4 C in diesem Beispiel, und die Entladungsrate von 95% von 5 mA ergibt wahrscheinlich nahezu die volle Nennkapazität.

Ich würde eine der folgenden Methoden ausprobieren:

• Erhöhen Sie die Spannung, bis sie 3,3 V nicht mehr unterschreitet, und regeln Sie sie dann auf diesen Wert herunter
• Verwenden Sie zwei Batterien in Reihe
• versuchen Sie, die Schaltung neu zu gestalten; Einige ICs mit einer Nennspannung von 3,3 V funktionieren auch bei 2,5 V

Besorgen Sie sich eine LFP-Batterie (Lithiumferrophosphat). Die Nennspannung beträgt ca. 3,2 V und die Arbeitsspannung zwischen 3,0 und 3,3 V. Das Entladen Ihres Lithium-Ionen-Akkus von 4,7 V auf unter 3,7 V wirkt sich nur nachteilig auf seine Lebensdauer aus, da es umgekehrt proportional zur Entladungstiefe ist

Um ehrlich zu sein, ist ein LDO-Regler wahrscheinlich gut genug. Wenn eine Li-Po-Zelle auf 3,3 V abfällt, hat sie den größten Teil ihrer Leistung geliefert (siehe Lipo-Entladungskurve). Viele Geräte (esp8266, nrf24l01 usw.), die eine Nennspannung von 3,3 V angeben, arbeiten weit unter 3,3 V.

Als praktisches Beispiel habe ich einen Tachometer mit drahtlosen Sende- und Empfangs- / Anzeigemodulen aus NRF24L01-Modulen für die drahtlosen und BA33BC0T-Linearregler gebaut. Sowohl die Sender- als auch die Empfängerzellenspannung werden auf dem Display des Empfängers angezeigt und in der Praxis liegen sie bei 3,1 bis 3,0 V. Ich fahre in (diese Geräte arbeiten in) Temperaturen von 5 bis 30 Grad C.

Wenn man bedenkt, dass das Datenblatt dieses LDO-Reglers einen Unterschied von 0,3 bis 0,5 V / O (glaube ich?) Und der NRF24L01 einen Versorgungsbereich von 3,0 bis 3,6 V angibt, ist dies wirklich gut für ein Li-Po-Projekt.