智能家居中电池特性分析及设计方案

作者:Betty Guo

现在,智能楼宇自动化中加入了越来越多的智能传感器,比如智能猫眼,门铃,便携式摄像头以及烟感等。这些产品通常采用电池供电,如常见的18650锂电池,AA 干电池。那么在电池供电的产品中,如何设计合理的供电方案是延长电池使用时间是重点问题。

文章会首先会分析常用电池的特性分析,其次以可视化门铃为例提供技术设计方案。

1. 不同电池特性分析

在智能家居产品中,常用的电池类型主要是干电池和锂电池。锂电池又分为18650 圆柱型电池,聚合物锂电池,镍氢电池等。由于电池电压会随着电池使用而降低,对后级电路设计提出了要求。下面是这三种锂电池分别的特性:

电池类型

18650圆柱型电池

聚合物锂电池

镍氢电池

特性

-能量密度高。

-工作电压平台高。

-循环寿命长。

-自放电小

- 重量亲,体积薄,容量密度高

- 充放电特性好

- 无记忆效应

 

-成本低

- 快充特性好

- 寿命长,无记忆效应

- 工作温度范围广

无论是哪种类型的锂电池,其放电特性和电量曲线基本一致。下图1是锂电池不同放电率下电压和电量的关系曲线。

图1 锂电池不同放电率电压和电量关系

从图1中可以看出不同的放电率,电池电压和电量的关系是不同的,同时也和工作温度相关。因此,不能针对电池的电压来判断电池是否有电量。通常情况下,锂电池电压掉到3V时,电池基本没有剩余电量,此时即使通过升压芯片,也无法提供足够的能量供负载使用。

同时,下图2展示了在不同负载情况下,电池电压和电量的关系。在不同的负载情况下,相同的电池电压, 剩余电池电量也会产生很大的差距。SOC (State of Charge)为锂电池中可用电能的状态,通常以百分比表示。相对荷电状态的范围是0%-100%,电池完全充电时是100%,完全放电时是0%。负载电流又分为脉冲电流和持续电流,在脉冲电流和持续电流放电情况下,电池的放电曲线也会不同,比如MCU, Sub-1G类负载在启动时都会产生脉冲电流,对于LED等为持续电流。

图2 不同负载下电池电压和电量的关系

另一类应用广泛的电池为纽扣电池和干电池。常见的碱性纽扣电池标称电压为1.5V,锂纽扣电池为3V.干电池的工作电压为0.7V~1.5V,当电池放电到电压低于0.7V时将不能正常工作。同时,其恒流放电曲线也和外界环境因素相关。下图3和图4分别为锂纽扣电池和干电池电池的恒流放电曲线:

         

图3 锂纽扣电池电压和电量关系 

   

                                  

图4 干电池电压和电量关系 

从上面两张图可以看出,以3V系统为例,针对纽扣电池,当电池电压下降到2.5V时,电池依然留有剩余电量可以供系统使用。但由于电池电压太低,无法提供足够的电压,为了进一步延长电池使用时间,需要将2.5V电压升压到满足系统工作水平。

 

2. 电源设计应用举例

考虑到现在的电池供电智能家居产品中,通常会采用无线方式进行数据的传输,比如WIFI 蓝牙等。如前文所述,当通信设备瞬间启动时,会有一个较大的启动电流 (通常1A~2A) 瞬间将电池电压拉低。当电池电压过低时,导致后面的电源芯片进入UVLO,系统停止工作。结合以上分析电池电压和电量的应用,在进行电源设计时,可以使用buck-boost 芯片来满足常用的应用场合。

结合到电池低功耗的需求,需要静态电流较低的IC,通常为nA /uA级别。结合到智能家居中WIFI/BLE 包括speaker 和LED 的使用,会需要较大的工作电流,一般为1A~2A 左右。低Iq 的 2A输出电流的buck-boost 芯片TPS63802就非常适用于这一类应用。

TPS63802 是一款静态电流11uA 2A输出的buck-boost 芯片,输入电压范围从1.3V~5.5V, 能够覆盖大部分智能家居产品的应用,帮助用户进一步减小设计体积。根据TI 的参考设计,整体设计尺寸可以降低至~28mm. 详细信息,可以参考TI 官网,TPS63802 技术资料。

下面图5以可视化门铃为例,TI 提供了完整的设计方案,所有技术资料均可以在TI 官网下载查询。

图5 可视化门铃参考设计

参考文献

TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802

TI 可视化门铃参考设计:http://www.ti.com/solution/video-doorbell

Energizer technical information: https://data.energizer.com/battery-handbook-crosssections

18650 锂电池电压和电量的关系http://www.cbea.com/ldc/201902/749081.html

可视化门铃设计指南:http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067

干电池剩余电量检测研究:http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html