锂电池供电电源电路设计最强分析及锂电池工作原理

锂电池供电电源电路设计分析

锂(li)(li)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)供电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)路设(she)计分析(xi)如下文，“锂(li)(li)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)”，是一(yi)类由锂(li)(li)金属(shu)或锂(li)(li)合金为负极材料(liao)、使用非水电(dian)(dian)(dian)解质溶液的(de)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。锂(li)(li)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)大致可分为两类：锂(li)(li)金属(shu)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和锂(li)(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。锂(li)(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)不含有金属(shu)态的(de)锂(li)(li)，并且是可以充电(dian)(dian)(dian)的(de)。可充电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)第五(wu)代(dai)产(chan)品锂(li)(li)金属(shu)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在(zai)1996年诞(dan)生，其安全性、比(bi)(bi)容量(liang)、自放电(dian)(dian)(dian)率和性能(neng)价格(ge)比(bi)(bi)均优(you)于锂(li)(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。由于其自身的(de)高技术要求限制(zhi)，现在(zai)只有少(shao)数几个(ge)国家的(de)公司在(zai)生产(chan)这种锂(li)(li)金属(shu)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。

单节锂电(dian)池(chi)(chi)供(gong)电(dian)电(dian)源电(dian)路设计(ji)，包括升压、充电(dian)管理等电(dian)路设计(ji)，一款基于(yu)锂电(dian)池(chi)(chi)供(gong)电(dian)的产品，对于(yu)电(dian)源部分的大致要(yao)求是这样的：

1、 由单节(jie)可充电(dian)锂(li)电(dian)池供电(dian)；

2、 板(ban)子自带充电(dian)管理模(mo)块，可外接(jie)(jie)5V太阳能板(ban)或安卓手机充电(dian)器直接(jie)(jie)充电(dian)；

3、 需要稳定输出5V电(dian)压，给(ji)5V模块供电(dian)；

4、 需要稳定输出3.8V电(dian)压，瞬间(jian)带(dai)载能力2A以上，给(ji)4G模块供(gong)电(dian)模块供(gong)电(dian)；

5、 需要稳定输出3.3V电压，给MCU和(he)其他3.3V的(de)电子模块供电；

首先，笔者(zhe)通过查资料得(de)知，一般标称为3.7V的(de)锂电(dian)池的(de)电(dian)压(ya)范围是在2.8V~4.2V，如(ru)果说(shuo)想要得(de)到稳定的(de)5V、3.8V和3.3V电(dian)压(ya)，显然(ran)不能(neng)直(zhi)接(jie)得(de)到，需(xu)要借助特(te)定电(dian)源芯片(pian)来实现。那么(me)该(gai)如(ru)何选择(ze)电(dian)源芯片(pian)呢？

首先(xian)，要得(de)到5V电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)的话(hua)，毋庸(yong)置疑，必须得(de)用(yong)升压(ya)(ya)芯(xin)片了(le)。那么(me)，3.8V和3.3V两种电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，是(shi)(shi)否可(ke)以直接由锂电(dian)(dian)(dian)池(chi)经过LDO来实现呢(ni)？没毛(mao)病，实现也确实能(neng)实现，只不过，似乎有点浪费锂电(dian)(dian)(dian)池(chi)的电(dian)(dian)(dian)量(liang)，因为不管是(shi)(shi)哪款LDO，始终(zhong)都是(shi)(shi)输入电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)要高于输出电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)的，这样(yang)一来，以得(de)到3.3V电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)为例(li)，锂电(dian)(dian)(dian)池(chi)的电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)最(zui)多(duo)放到3.3V多(duo)一点，就不能(neng)继续得(de)到稳(wen)定(ding)的3.3V电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)了(le)，这样(yang)显然是(shi)(shi)不行的！

思来想(xiang)去(qu)，也(ye)只有采用“先(xian)升(sheng)压(ya)、再降压(ya)”的方案了，选(xuan)择(ze)一款合适的升(sheng)压(ya)芯(xin)片(pian)，先(xian)将(jiang)锂电池(chi)的电压(ya)升(sheng)压(ya)至(zhi)(zhi)5V，再通过降压(ya)芯(xin)片(pian)，将(jiang)电压(ya)分(fen)别稳压(ya)至(zhi)(zhi)3.8V和3.3V，这(zhei)样似乎就能满足我们(men)的要求了。

当然，市(shi)面(mian)上的(de)(de)升压和(he)降压的(de)(de)芯片确实(shi)是比较多，笔者之前尝试过了一(yi)种(zhong)方案，但是感觉不是特别(bie)好，于(yu)是，后面(mian)又找了另外一(yi)家的(de)(de)芯片。在厂家技术(shu)的(de)(de)指导下(xia)，对之前的(de)(de)电路进行了改善。那么废话不多说，接(jie)下(xia)来(lai)，笔者就(jiu)跟(gen)大家来(lai)分享一(yi)下(xia)我的(de)(de)这套方案。

首(shou)先，是(shi)锂电(dian)(dian)池(chi)(chi)充电(dian)(dian)管理部分，笔者选用的(de)是(shi)TC4056A这款芯(xin)片来作为单节(jie)锂电(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充电(dian)(dian)管理芯(xin)片：

这(zhei)款TC4056A也是市(shi)面(mian)上比(bi)较常见的(de)一款单节锂(li)电(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)电(dian)管理芯(xin)片，充(chong)(chong)电(dian)电(dian)压(ya)固定(ding)在4.2V，最(zui)大充(chong)(chong)电(dian)电(dian)流(liu)可(ke)大1A，同时自带锂(li)电(dian)池(chi)(chi)温度检测、欠压(ya)闭锁、自动(dong)再充(chong)(chong)电(dian)和两个用于指示充(chong)(chong)电(dian)、结束的(de)LED状态引脚。

眼尖的高手们或许发现了笔(bi)(bi)者电路(lu)上的一个问题，那(nei)就是，锂电池充电部分并没(mei)有带保护电路(lu)，是不(bu)是有安(an)全隐患？其实(shi)不(bu)然，因为(wei)笔(bi)(bi)者使用的电池是铝包电池，而(er)非18650那(nei)种锂电池，这种铝包电池本身就已(yi)经(jing)带了保护板，所以(yi)笔(bi)(bi)者也就没(mei)有再多此一举(ju)了，那(nei)样也浪费物(wu)料(liao)。

下(xia)面我们就来看(kan)下(xia)升(sheng)压部分的(de)电路，锂电池升(sheng)压部分笔者(zhe)采用了一(yi)颗型(xing)号为KF2185的(de)同(tong)步升(sheng)压芯片(pian)(pian)，这款芯片(pian)(pian)的(de)同(tong)步升(sheng)压效率最高可达94%，持续带载能力可以(yi)(yi)达到2A以(yi)(yi)上，可调节电压输出，外围(wei)电路也是很简单。

其次(ci)就是(shi)(shi)3.8V的(de)(de)稳压(ya)芯片(pian)，笔者(zhe)这里选用(yong)的(de)(de)也(ye)(ye)是(shi)(shi)一款可以电压(ya)输(shu)出(chu)的(de)(de)芯片(pian)KF7416，这款芯片(pian)的(de)(de)转换(huan)效率也(ye)(ye)是(shi)(shi)最高可达到95%，外(wai)围电路也(ye)(ye)是(shi)(shi)非常的(de)(de)简(jian)单(dan)，SOT23-6的(de)(de)封装，也(ye)(ye)算是(shi)(shi)很节省(sheng)空(kong)间(jian)了。

最(zui)后(hou)，就是(shi)3.3V电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)稳压(ya)电(dian)(dian)(dian)路了，关(guan)于3.3V电(dian)(dian)(dian)压(ya)其(qi)实有(you)两种渠道可以获得，一是(shi)从5V得到，另(ling)外(wai)一种就是(shi)从3.8V得到。由于笔(bi)者这里的(de)3.8V是(shi)要(yao)(yao)给4G模块供电(dian)(dian)(dian)的(de)，而且(qie)，出于省电(dian)(dian)(dian)考虑(lv)，在(zai)平时用(yong)不上4G模块的(de)时候(hou)，是(shi)需要(yao)(yao)将(jiang)4G模块的(de)电(dian)(dian)(dian)源单独断开的(de)，而MCU和其(qi)他的(de)3.3V的(de)模块又是(shi)需要(yao)(yao)一直上电(dian)(dian)(dian)的(de)。

因此(ci)，这里就(jiu)不能直接用(yong)3.8V来(lai)稳压了。关于3.3V的稳压芯片(pian)实在(zai)是太多了，笔者也就(jiu)随手(shou)选了一个性价比还不错的ME6211来(lai)使用(yong)了。

另外(wai)顺便提(ti)下，在有些(xie)锂电(dian)池应用中，如(ru)果不需要用到其他的(de)电(dian)压(ya)而只需要用到3.3V的(de)电(dian)压(ya)时，我们也可(ke)以选择一个自带(dai)升压(ya)降压(ya)的(de)芯(xin)片来实现，就无需先升压(ya)再(zai)降压(ya)了(le)，比如(ru)，笔者了(le)解到的(de)KF3448这款芯(xin)片，就能(neng)达到我们的(de)目的(de)：

当(dang)然，在(zai)选择这些(xie)芯片的(de)(de)时(shi)候(hou)(hou)，很多时(shi)候(hou)(hou)还是(shi)要(yao)考虑(lv)带载能(neng)力、功(gong)耗、体积(ji)、价格等方面(mian)的(de)(de)因素，大家在(zai)应用(yong)中还是(shi)要(yao)根据自己的(de)(de)实际(ji)情况作(zuo)出合(he)理的(de)(de)选择。

锂电池工作原理

锂金属电池：

锂金属(shu)电(dian)池一般(ban)是使(shi)用二氧化锰为正极材料、金属(shu)锂或其(qi)合金金属(shu)为负极材料、使(shi)用非水(shui)电(dian)解质溶液的电(dian)池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

锂离子电池：

锂离子(zi)电池(chi)一般是(shi)使用锂合(he)金金属氧化物为(wei)正极(ji)材料、石墨为(wei)负极(ji)材料、使用非水电解质的电池(chi)。

充电正极上发生的反应为(wei)

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电(dian)子)

充电负极(ji)上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充(chong)电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

正极(ji)

正(zheng)极材料(liao)：可(ke)选的(de)正(zheng)极材料(liao)很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的(de)正(zheng)极材料(liao)对照(zhao)：

正极反应：放电(dian)时(shi)锂离子嵌入，充电(dian)时(shi)锂离子脱(tuo)嵌。

充电时(shi)：LiFePO4 → Li1-xFePO4+xLi++xe-放电时(shi)：Li1-xFePO4 + xLi++xe-→LiFePO4。

负极

负极(ji)材(cai)料：多采用(yong)石墨。新的研究发现钛(tai)酸盐可能是更好的材(cai)料。

负极反应：放电时锂(li)离子脱嵌，充电时锂(li)离子嵌入。

充电时(shi)：xLi++xe- +6C→LixC6

放电时：LixC6→xLi++xe- +6C

联(lian)系方式：邹(zou)先生

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