【導(dǎo)讀】現(xiàn)在，智能樓宇自動(dòng)化中加入了越來(lái)越多的智能傳感器，比如智能貓眼，門(mén)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(jiàn)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(jì)合理的供電方案是延長(zhǎng)電池使用時(shí)間是重點(diǎn)問(wèn)題。
文章會(huì)首先會(huì)分析常用電池的特性分析，其次以可視化門(mén)鈴為例提供技術(shù)設(shè)計(jì)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(huì)隨著電池使用而降低，對(duì)后級(jí)電路設(shè)計(jì)提出了要求。下面是這三種鋰電池分別的特性：
無(wú)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。
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(shí)也和工作溫度相關(guān)。因此，不能針對(duì)電池的電壓來(lái)判斷電池是否有電量。通常情況下，鋰電池電壓掉到3V時(shí)，電池基本沒(méi)有剩余電量，此時(shí)即使通過(guò)升壓芯片，也無(wú)法提供足夠的能量供負(fù)載使用。
同時(shí)，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(huì)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(duì)荷電狀態(tài)的范圍是0%-100%，電池完全充電時(shí)是100%，完全放電時(shí)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(huì)不同，比如MCU, Sub-1G類負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生脈沖電流，對(duì)于LED等為持續(xù)電流。
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(jiàn)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(shí)將不能正常工作。同時(shí)，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：
圖3 鋰紐扣電池電壓和電量關(guān)系
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(duì)紐扣電池，當(dāng)電池電壓下降到2.5V時(shí)，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(wú)法提供足夠的電壓，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)電池使用時(shí)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(jì)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(huì)采用無(wú)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(dòng)時(shí)，會(huì)有一個(gè)較大的啟動(dòng)電流 (通常1A~2A) 瞬間將電池電壓拉低。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)，導(dǎo)致后面的電源芯片進(jìn)入U(xiǎn)VLO，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(jì)時(shí)，可以使用buck-boost 芯片來(lái)滿足常用的應(yīng)用場(chǎng)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(jí)別。結(jié)合到智能家居中WIFI/BLE 包括speaker 和LED 的使用，會(huì)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(jì)體積。根據(jù)TI 的參考設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)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(mén)鈴為例，TI 提供了完整的設(shè)計(jì)方案，所有技術(shù)資料均可以在TI 官網(wǎng)下載查詢。
圖5 可視化門(mén)鈴參考設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)：
1. TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802
2. TI 可視化門(mén)鈴參考設(shè)計(jì)：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(mén)鈴設(shè)計(jì)指南：http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067
6. 干電池剩余電量檢測(cè)研究：http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html
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