鋰電池供電電源電路設計最強分析及鋰電池工作原理

鋰電池供電電源電路設計分析

鋰電池供電電源電路設計分析如下文，“鋰電池”，是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池大致可分為兩類(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?？沙潆婋姵氐牡谖宕a(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，現在只有少數幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

單節鋰電池供電電源電路設計，包括升壓、充電管理等電路設計，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)能板或安卓手機充電器直接充電；

3、 需要穩定輸出5V電壓，給5V模塊供電；

4、 需要穩定輸出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。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)現呢？沒(méi)毛病，實(shí)現也確實(shí)能實(shí)現，只不過(guò)，似乎有點(diǎn)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(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)，就不能繼續得到穩定的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，將電壓分別穩壓至3.8V和3.3V，這樣似乎就能滿(mǎn)足我們的要求了。

當然，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(chǎng)家技術(shù)的指導下，對之前的電路進(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、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、結束的LED狀態(tài)引腳。

眼尖的高手們或許發(fā)現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)有帶保護電路，是不是有安全隱患？其實(shí)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(méi)有再多此一舉了，那樣也浪費物料。

下面我們就來(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為KF2185的同步升壓芯片，這款芯片的同步升壓效率最高可達94%，持續帶載能力可以達到2A以上，可調節電壓輸出，外圍電路也是很簡(jiǎn)單。

其次就是3.8V的穩壓芯片，筆者這里選用的也是一款可以電壓輸出的芯片KF7416，這款芯片的轉換效率也是最高可達到95%，外圍電路也是非常的簡(jiǎn)單，SOT23-6的封裝，也算是很節省空間了。

最后，就是3.3V電壓的穩壓電路了，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)穩壓了。關(guān)于3.3V的穩壓芯片實(shí)在是太多了，筆者也就隨手選了一個(gè)性?xún)r(jià)比還不錯的ME6211來(lái)使用了。

另外順便提下，在有些鋰電池應用中，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，就無(wú)需先升壓再降壓了，比如，筆者了解到的KF3448這款芯片，就能達到我們的目的：

當然，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，大家在應用中還是要根據自己的實(shí)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極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應：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)生的反應為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負極上發(fā)生的反應為

6C+XLi++Xe- = LixC6

充電電池總反應：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：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。

負極

負極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現鈦酸鹽可能是更好的材料。

負極反應：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

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