鋰電池供電系統(tǒng)

一、鋰電池

??鋰離子電池的負極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時鋰離子由正極向負極運動而嵌入石墨層中。放電時，鋰離子從石墨晶體內負極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因而這種電池叫做鋰離子電池，簡稱鋰電池。
??二次鋰電池具有高能量密度、無記憶效應、重量輕、無污染、循環(huán)壽命長、自放電小等優(yōu)點。
??聚合物鋰電池具有以下優(yōu)點：無電池漏液問題,其電池內部不含液態(tài)電解液,使用膠態(tài)的固體；可制成薄型電池：3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm；電池可設計成多種形狀；電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲900左右；可制成單顆高電壓：液態(tài)電解質的電池僅能以數(shù)顆電池串聯(lián)得到高電壓，高分子電池由于本身無液體，可在單顆內做成多層組合來達到高電壓；容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍。
??鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)，。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的4.2V;陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池?，F(xiàn)在使用的大部分是4.2V的，鋰離子電池的終止放電電壓為 2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。鋰電池標注中，3.7V指電池使用過程中放電的平臺電壓，而4.2伏指的是充電滿電時的電壓。
??鋰電池需充足電后保存。在20℃下可儲存半年以上，鋰電池適宜在低溫下保存。
??在鋰電池供電系統(tǒng)中，需要三個電路：①鋰電池充電電路，鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進行充電；②鋰電池保護電路，保護電路為鋰電池提供過充電、過放電、短路過流、過溫保護；③鋰電池輸出電路，3.7V鋰電池充滿電后為4.2V，放電平臺電壓為3.7V，對于嵌入式系統(tǒng)或其他負載電路來說，需要將3.7V電壓升降壓為5V、3.3V等電壓才能使用。

鋰電池基礎問題：https://blog.csdn.net/dddxxxx/article/details/55104433
鋰電池應用電路：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/110270332

二、鋰電池充放電

1、鋰電池充放電要求

??(1)、鋰電池的充電：鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進行充電，通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100mA以內時，應停止充電。
??鋰電池過充電：根據(jù)鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓為4.2V。在電池充滿電后在繼續(xù)充電，會導致電池的過充電。由于在設計時，鋰電池負極容量要比正極容量高，過充電會導致正極的鋰離子被消耗太多，損耗電池進而使電池報廢。
??充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1000mAh的電池，其充電電流可控制在100~1500mA之間）。充電電流在0.2C-0.8C之間比較適宜，常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間約為2～3小時。
??(2)、鋰電池的放電：因鋰電池的內部結構所致，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證在下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。
??放電終止電壓通常為 3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。一般根據(jù)放電電流來確定放電截止電壓。0.2C-2C放電一般設定1.0V/支,3C 以上如5C或10C放電設定為0.8V/支。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間（小時）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 (mA)不應超過電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應嚴格控制在3A以內）否則會使電池損壞。

2、鋰電池充電過程

??鋰離子電池的充電過程可以分為四個階段：涓流充電（低壓預充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。
??鋰電池的充電方式是限壓恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充電方式是：先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進行預充電，充電電流為設定電流的1/10，電壓升到3V后，進入標準充電過程。標準充電過程為：以設定電流進行恒流充電，電池電壓升到4.20V時，改為恒壓充電，保持充電電壓為 4.20V。此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結束。下圖為充電曲線。

(1)、涓流充電階段（在電池過渡放電，電壓偏低的狀態(tài)下）
??3.0V以下。鋰電池內部的介質會發(fā)生一些物理變化，致使充電特性變壞，容量降低等。在這個階段，只能通過涓涓細流緩慢的對鋰電池充電，使鋰電池內部的電介質慢慢的恢復到正常狀態(tài)。
??涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA)。
(2)、恒流充電階段（電池從過放狀態(tài)恢復到了正常狀態(tài)）
??當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節(jié)電池設定的此電壓為3.0-4.2V。
(3)、恒壓充電階段（已經充滿85%以上，在慢慢的進行補充）
??當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結束，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當減小到0.01C時，認為充電終止。（C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA）。
(4)、充電終止：有兩種典型的充電終止方法，采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結合)。最小電流法監(jiān)視恒壓 充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

??上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃)，那么充電會暫停。

??充電結束后,如檢測到電池電壓低于充電IC的再充電門限電壓將重新充電。

3、鋰電池充電方案

??鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進行充電，充電電流在0.2C-0.8C之間比較適宜，下面介紹采用TP4056充電IC的鋰電池充電方案。
??TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。由于采用了內部PMOSFET架構，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設定值1/10時，TP4056將自動終止充電循環(huán)。

在TP4056充電電路中RPROG電阻的計算：
這個電阻決定了最大充電電流的大小，充電電流I=1200/RPROG，這里選擇RPROG為1.2k，最大充電電流為1A。

VCC電阻的選擇：
??此電阻的作用：增加熱調節(jié)電流；降低內部MOSFET兩端的壓降能夠顯著減少IC中的功耗。在熱調節(jié)期間，這具有增加輸送至電池的電流的作用。對策之一是通過一個外部元件（例如一個電阻器或二極管）將一部分功率耗散掉。
??充電器在工作的時候會發(fā)熱，在發(fā)熱的情況下，比如規(guī)定最大充電電流為1A，實際上發(fā)熱以后充電電流達不到1A，越熱輸出電流越小，為了解決這個問題，官方給出一個對策就是連接一個電阻，將一部分功率耗散掉。
??讓這個電阻承擔一部分熱量，減小芯片發(fā)熱，來增加鋰電池充電電流。
計算公式：

這里選擇0.25歐姆，封裝為1206，功率可以達到0.25W。假設0.25歐姆電阻上通過的電流是1A，功率為0.25W。實際上充電電流連948mA也達不到，因此功率達不到0.25W。

TP4056X充電IC相較于TP4056增加了電池正負極反接保護、輸入電源正負極反接保護和短路保護，采用底部帶有散熱器的ESOP/EMSOP封裝。當充電完成后，若BAT引腳電壓4.12V的再充電門限電壓以下，繼續(xù)下一個充電循環(huán)。

TP4056X鋰電池充電電路：

鋰電池充放電原理：https://blog.csdn.net/nolatin/article/details/7054769
鋰電池充電方案：https://blog.csdn.net/qq_36098477/article/details/105476631
TP4056電路設計：https://blog.csdn.net/weixin_30760895/article/details/96729692
鋰電池充電過程詳解：https://blog.csdn.net/enfang1120/article/details/89521245

三、鋰電池保護

??鋰電池在使用過程中嚴禁過充電、過放電和短路故障，否則將會引起電池壽命縮短或起火、爆炸等事故，因此可充型鋰電池都會連接一塊充放電保護電路板（常簡稱保護板）來保護鋰電池的安全。
??保護電路由控制IC、MOSFET開關管、熔斷保險絲、電阻、電容等元件組成?？刂艻C輸出控制信號控制MOSFET開關管導通，使鋰電池與外部電路連接，當鋰電池電壓或回路電流超過規(guī)定值時，控制IC控制MOSFET開關管關斷，斷開鋰電池和外部電路的連接，保護鋰電池。

??控制IC內置高精度電壓檢測電路和多級電流檢測電路。其中，電壓檢測電路一是對充電電壓進行檢測，一旦達到其設定閾值（通常為3.9V～4.4V），立即進入過充電保護狀態(tài)；二是對放電電壓進行檢測，一旦達到其設定閾值（通常為2.0V～3.0V ），立即進入過放電保護狀態(tài)。
單節(jié)鋰電池保護電路
??保護電路的控制芯片為DW01（或312F） ， MOS開關管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負極；P＋、P -分別是保護板輸出的正、負極； T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進行保護控制。
??DW01或312F是一款鋰電池保護芯片，內置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數(shù)如下：過充檢測電壓為4.3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V ；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。
??8205A內含兩只N溝道場效應管，當G極電壓高于1V時，場效應管導通，D、S間的導通電阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當于開關閉合；當基極電壓低于0.7V時，開關管截止，D、S極間的導通內阻很大（幾兆歐姆），相當于開關斷開。

鋰電池保護電路工作原理
(1)正常工作：DW01和8205A所組成的保護電路如上圖所示，8205A中的Q1為過放電保護管，Q2為過充電保護管。當電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，DW01的OD、OC腳均輸出高電平（等于供電電壓），CSI腳電壓為0V。此時8205A內的兩只N溝道場效應管Q1、Q2均處于導通狀態(tài)，由于8205A的導通電阻很小，相當于D、S極間直通，此時鋰電池的負極與保護電路的P-端相當于直接連通，保護電路有電壓輸出，電流回路為：B+→P+→外部電路→P-→Q2→Q1→B-。
(2)過放電保護：鋰電池兩端的電壓隨放電而漸漸降低，同時DW01內部通過電阻R1實時監(jiān)測鋰電池電壓，當鋰電池電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，DW01認為鋰電池已處于過放電狀態(tài)，其OD腳電壓變?yōu)?， 8205A內Q1截止，此時鋰電池的B-與P-之間處于斷開狀態(tài)，即鋰電池的放電回路被切斷，停止放電。
??進入過放電保護狀態(tài)后，鋰電池電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），DW01的OD腳恢復輸出高電平，8205A內的Q1再次導通。
(3)電池充電：無論保護電路是否進入過放電狀態(tài)，只要給保護電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW01經B-端檢測到充電電壓后，便立即從OC腳輸出高電平，8205A內的Q2導通，即鋰電池的B-保護電路的P-通，充電器對鋰電池充電，電流回路為：P+→B+→B-→Q1（無論OD腳是不是高電平，由于反向二極管的存在，充電回路中Q1均可導通）→Q2→P-。
(4)過充電保護：當鋰電池電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，DW01將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，便立即使OC腳電壓降為0V， 8205A內的Q2截止，此時鋰電池的B-極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即鋰電池的充電回路被切斷，停止充電。
?? 當保護電路的P＋與P-端接上放電負載后，雖然Q2截止，但其內部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當鋰電池兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復電壓）時，DW01將退出過充電保護狀態(tài)，OC腳重新輸出高電平，Q2導通，即鋰電池的B-端與保護電路P-端又重新接上，鋰電池又能進行正常的充放電。
(5)過流、短路保護： 由于開關管飽和導通時也存在內阻，所以有電流流過時開關管的D、S極間就會產生壓降，保護控制IC會實時檢測開關管D、S極的電壓，當電壓升到IC保護門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護執(zhí)行端OD馬上輸出低電平，Q1關斷，放電回路被斷開。
??DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測開關管上的壓降。當負載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當該壓降達到0.2V時，DW01便判斷負載電流到達了極限值，于是其OD腳電壓降為0V， 8205A內部的放電控制管Q1關閉，切斷鋰電池的放電回路，實現(xiàn)過電流保護。
(6)過溫保護：保護板上的T端口為過溫保護端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖中的R4），該電阻緊貼鋰電池安裝。當用電器長時間處于大功率工作狀態(tài)時，鋰電池溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到CPU設定閾值時，CPU立即發(fā)出關機指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機電流，從而達到保護電池的目的。

FS312F保護IC相較于DW01來說，過充檢測電壓為4.25V，過充釋放電壓為4.15V；過放檢測電壓為2.9V，過放釋放電壓為3.0V；過放檢測電壓較高一些，可以防止鋰電池過放更深。
對于DW06保護IC，已經內部集成了功率MOS，無需外接8205A開關管，其他參數(shù)與DW01一致。

FS312f和8205A鋰電池保護電路：

鋰電池充放電保護電路工作原理https://blog.csdn.net/u010783226/article/details/79267282
鋰電池保護電路詳解：https://blog.csdn.net/weixin_29705519/article/details/112542192

四、鋰電池供電方案

??3.7V鋰電池充滿電后為4.2V，放電平臺電壓為3.7V，對于嵌入式系統(tǒng)或其他負載電路來說，需要將3.7V電壓升降壓為5V、3.3V等電壓才能使用，因此需要設計一定的升降壓電路來將鋰電池輸出電壓穩(wěn)定在5V、3.3V。
??3.7V鋰電池充滿電后為4.2V，放電平臺電壓為3.7V，鋰電池放電至80%時電池電壓為3.7V，放電至90%時為3.5V，對于帶有鋰電池保護板的鋰電池來說，其放電最低電壓為3V，則鋰電池的輸出電壓范圍為3~4.2V。
??對于3.3V供電系統(tǒng)，由于鋰電池放電至90%時仍然有3.5V的輸出電壓，選用一個低壓差的LDO即可滿足要求；如果想要壓榨鋰電池容量極限，則可以選擇升降壓芯片，將3~4.2V電壓轉化為3.3V電壓，但升降壓芯片價格較貴且不宜選擇。
??對于5V及以下電壓供電系統(tǒng)，需要將鋰電池電壓先升高至5V，再將5V電壓經過LDO或DCDC降壓芯片轉化至3.3V。

(1)3.7V升5V鋰電池升壓方案：

??PW5300是電流模式升壓DC-DC轉換器。其內置0.2Ω功率MOSFET的PWM電路使該穩(wěn)壓器具有效率高的功率效率。內部補償網絡還可以程度地減少了6個外部元件的數(shù)量。誤差放大器的同相輸入連接到0.6V精密基準電壓，內部軟啟動功能可以減低浪涌電流，PW5300采用SOT23-6L封裝，為應用提供節(jié)省空間的PCB。

(2)3.3V降壓DCDC方案：

??PW2057,輸出電壓固定3.3V，最大輸出電流0.7A，可以節(jié)省了2個調壓電阻。同步整流效率高。


3.7V轉3V方案：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/109690493
鋰電池供電方案：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/109690515
鋰電池電壓與電量關系：https://blog.csdn.net/gezhiwu1213/article/details/46858801
鋰電池3.7V升壓5V方案：https://blog.csdn.net/qq_15079039/article/details/118353412
鋰電池3.7V升壓5V方案：https://blog.csdn.net/quke1/article/details/115460724
鋰電池升壓到5V1A，PW5300設計布局：https://blog.csdn.net/quke1/article/details/118964329

五、電源切換電路

??在鋰電池和USB電源供電系統(tǒng)中，在沒有USB外接電源時，整個系統(tǒng)使用鋰電池供電，當存在USB外接電源時，系統(tǒng)供電切換至外接電源，需要在鋰電池和USB電源之間加入一個電源切換電路。

??在上圖中，使用低導通內阻的PMOS管做電源切換開關。
??未接入VUSB，采用鋰電池供電時，PMOS管的G極通過電阻下拉至GND，鋰電池VBAT（3.7V-4.2V）通過PMOS管的反向二極管到達PMOS管的S極，VS>VG，VGS<0，PMOS管導通，導通之后，寄生二極管短路，不在起作用，此時VCC輸出VBAT（3.7V~4.2V）電壓。
??接入VUSB電源后，PMOS管G極電壓未VUSB=5V，S極電壓為VCC=VUSB-VD1=5V-0.7V=4.3V，VG>VS，VGS>0，PMOS管關斷，VCC輸出電壓為4.3V（5-0.7）。由于PMOS管關斷，不論接不接電池，電池與負載電路斷開，由USB電源供電。
??在上述電源切換電路中，在USB供電時，VCC輸出電壓為4.3V（VUSB-VD1=5V-0.7V=4.3V），硅二極管存在0.7V的壓降，會造成不必要的電壓損耗，最好使用肖特基二極管，如SS12、SS14、SS34等。但如果沒有二極管D1的話，PMOS管的G極和S極連接在一起，導致電路無法正常工作。

鋰電池外接電源切換電路：https://strongerhuang.blog.csdn.net/article/details/104832112
鋰電池外接電源切換電路仿真：https://blog.csdn.net/jwdeng1995/article/details/111403131
鋰電池外接電源切換電路和軟開關電路：https://blog.csdn.net/weixin_34221276/article/details/85711981
USB和鋰電池供電電路設計：https://blog.csdn.net/qq_43521534/article/details/104184764

六、硬件開關機電路

??一般來說，為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的硬件電源切斷，會使用直接的機械開關進行控制電源的通斷。但是由于機械開關存在著體積較大（不利于小型化設計），且由于磨損導致壽命較短等缺點，按鍵開關越來越多的被使用，下面介紹一種比較簡單的實現(xiàn)電路：

關機狀態(tài)：由于Q1被R1鉗位到高電平，Q1截止，VCC不能向后級供電
開機：長按S2，D2導通，使Q1的G極拉低而導通，VCC通過Q1向后級VCC-SYS供電;VCC-SYS連接MCU電源，MCU通電復位后開始工作，通過控制連接到MCU上面I/O的Power-On，使其為高電平，此時Q2導通，使Q1的G極變?yōu)榈碗娖剑砷_按鍵S2，只要Power-On引腳電平保持為高電平，系統(tǒng)供電正常供電;
關機流程：開機狀態(tài)下，長按下S2，MCU通過D1，檢測到低電平，累計一定時間后，判定為關機動作，將Power-ON引腳輸出低電平，Q1截止，系統(tǒng)斷電;

電源切換電路及硬件開關電路：

USB和鋰電池供電電路設計：https://blog.csdn.net/weixin_30512043/article/details/96368144

七、移動電源方案

??對于鋰電池供電系統(tǒng)來說，需要設計三種電路：充電、保護、供電電路，電路設計比較復雜，體積較大。對于一些移動電源IC來說，集成了鋰電池充電、保護和同步升壓電路，可輸出5V電源，使用起來較為方便，如TP5400、TP5410、IP5306等。利用這些移動電源IC，可直接實現(xiàn)鋰電池5V供電系統(tǒng)設計。

鋰電池供電電路：https://blog.csdn.net/weixin_39471542/article/details/103715759文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-403251.html

到了這里，關于3.7V鋰電池供電系統(tǒng)設計（含充電、保護、供電及電源切換電路器件選型和原理圖）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！