3.3 V regolato da una batteria agli ioni di litio (o LiPo)

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sfondo

Vorrei alimentare il mio circuito con una batteria agli ioni di litio o LiPo (probabilmente una batteria con una capacità di circa 1000 mAh). Queste batterie hanno una tensione che varia da 4,2 V a 2,7 V durante il loro ciclo di scarica.

Il mio circuito (funzionante a 3,3 V) ha un requisito di corrente massima di 400 mA - anche se dovrei affermare che questo è solo il picco di assorbimento che si verifica circa il 5% delle volte; il circuito assorbe solo circa 5mA il restante 95% delle volte).

Domanda

Quale sarebbe il modo migliore per convertire la (variabile) tensione di uscita di una batteria agli ioni di litio nei 3,3 V necessari per alimentare il mio circuito con un assorbimento di corrente di picco di 400 mA? Per "modo migliore" intendo la conversione di tensione più efficiente in modo da sfruttare al meglio la capacità della batteria.

La parte difficile per me è stata il fatto che la tensione della batteria agli ioni di litio sarà a volte SOPRA e a volte SOTTO la mia tensione finale richiesta! Se fosse solo uno di quei due, probabilmente avrei semplicemente usato un regolatore LDO o un boost boost come TPS61200, rispettivamente.

— boardbite
fonte

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Non si desidera scaricare un lipo inferiore a 3,7 V almeno se si prevede di ricaricarlo nuovamente.

— Chris Stratton,

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@ChrisStratton: 3,7 Volt ?? Sono abbastanza sicuro che la protezione da sottotensione su LiPo e Li-ioni sia impostata su 2,7 V, se è quello a cui ti riferisci.

— boardbite il

Non se si desidera che le celle ai polimeri di litio mantengano la loro capacità di carica futura, non lo è. Se vuoi ottenere la migliore durata di vita, non lasciarli scendere al di sotto di 3,7 V (forse 3,6 V all'esterno)

— Chris Stratton,

Curioso di questo - Potresti fornire una fonte? Chiedo perché osservando una curva di scarica di qualsiasi LiPoly (e Li-ion), sembra che il punto di tensione coincida con solo circa la metà della capacità scaricata.

— boardbite il

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@ChrisStratton: secondo le curve di scarica a temperatura ambiente di Sanyo , a 3,7 Volt, solo il 50% circa della capacità è stato esaurito con una velocità di scarica di 1,0 ° C. E non sono a conoscenza di alcuna letteratura che affermi che la durata della batteria LiPo o il mantenimento della capacità siano migliorati evitando la scarica al di sotto di 3,7 V. Fornisci una fonte per quello che stai dicendo; sarebbe sicuramente un'informazione preziosa per me se ciò che stai dicendo è effettivamente valido.

— boardbite il

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Dovresti provare con il convertitore DC / DC BUCK-BOOST. Sono disponibili con efficienza superiore al 90%. Controlla i siti Web TI e Linear; ci sono "calcolatrici" che potrebbero aiutarti:

Opzioni:

— szymz
fonte

Ho usato il loro grafico e sto attualmente cercando TPS63031 oppure TPS63001 come possibili opzioni

— boardbite

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La tecnologia lineare ha anche alcuni controller buck-boost completamente sincroni. Non troverai un approccio più efficiente di un buck-boost sincrono. Altre topologie come SEPIC non sono così efficienti.

— Adam Lawrence,

@Madmanguruman: Davvero! E alcuni di essi sono disponibili in pacchetti MSOP "più grandi": parametric.linear.com/buck-boost_regulator

— boardbite

TPS63031 e TPS63001 si adattano al conto e quindi li ho aggiunti a questa risposta, ma per i posteri, la risposta verrà ulteriormente aggiornata una volta che avrò verificato le opzioni lineari in modo più dettagliato.

— boardbite il

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Un regolatore lineare farà circa così come qualsiasi alternativa.
Le opzioni delle parti del regolatore adatte (economiche e con bassa tensione di interruzione inferiore a 200 mV a circa 400-500 mA di corrente) includono: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3
L'efficienza sarà vicina o superiore al 90% per la maggior parte dell'intervallo di tensione della batteria.
Probabilmente sarà disponibile l'80% + della capacità della batteria e lasciare una certa capacità nella batteria aumenterà utilmente la durata del ciclo della batteria poiché le batterie LiPo e LiIon "si consumano meno" se la batteria non si abbassa troppo.
Un regolatore buck potrebbe ottenere migliori efficienze se progettato con estrema attenzione, ma in molti casi non lo farà.

Scheda tecnica TPS72633 - uscita 3.3V fissa, <= 5.5V in. Abbassamento ben inferiore a 100 mV a 400 mA nell'intervallo di temperatura. Circa $ US2,55 / 1 a Digikey, diminuisce di volume.

Scheda tecnica TPS737xx fino a 1A con dropout di 130 mV tipico a 1A.

LD39080 ... scheda tecnica 800 mA, dropout OK.

Dici che il carico è di picco di 400 mA per brevi periodi ma <= 5 mA per il 95% delle volte. Non dici quale capacità della batteria desideri utilizzare, ma supponiamo che la capacità di 1000 mAh - non una batteria molto grande fisicamente e comune nei telefoni cellulari ecc.

Se si desidera 3,3 V, si ottiene facilmente un regolatore con Vin> = 3,4 V e 3,5 V in più.

Quindi quale% della capacità della batteria otteniamo a 0,4 C a temperatura ambiente? Basato sui grafici seguenti: probabilmente oltre il 75% a 400 mA e vicino al 100% a 5 mA per una batteria da 1000 mAh. Vedi sotto.

Per Vout = 3,3 V e 90% di efficienza, Vin = 3,3 x 100% / 90% = 3,666 = 3,7 V. Quindi fino a 3,7 V un regolatore lineare fornisce> = 90% - che è possibile superare con un convertitore buck, ma solo con grande cura. Anche a Vin = 4,0 V, efficienza = 3,3 / 4 = 82,5%, e non ci vuole molto perché Vin scenda al di sotto di questo, quindi nella maggior parte dei casi l'efficienza di un regolatore lineare sarà vicina o superiore al 90%, mentre si utilizza il la maggior parte della capacità della batteria.

Mentre ritengo che la cifra di D Pollit di 3,7 V per Vbattery_min sia troppo alta in questo caso, l'utilizzo di una cifra di 3,5 V o 3,4 V fornirà la maggior parte della capacità della batteria e prolungherà utilmente la durata del ciclo della batteria.

Capacità come fattore di temperatura e carico: 400 mA = 0.4C.

Il grafico a sinistra in basso da un foglio dati Sanyo LiPo che è stato originariamente citato . A 0,5 ° C la tensione scende al di sotto di 3,5 V a circa 2400 mAh o 2400/2700 = 88% della capacità nominale di 2700 Ah.

Il grafico a destra mostra la scarica a una corrente di C / 1 (~ = 2700 mA) a varie temperature. A una temperatura di 0 ° C (0 gradi Celsius) la tensione scende al di sotto di 3,5 V a circa 1400 mAh, ma a 25 ° C è di circa 2400 mAh (come da grafico a sinistra), quindi a causa della caduta di temperatura possiamo aspettarci un calo sostanziale della capacità, ma giù per dire 10 C ti aspetteresti 2000 mAh o più. È a scarica C / 1, i 400 mA = 0,4 C in questo esempio e la velocità di scarica del 95% di 5 mA probabilmente darà quasi la piena capacità nominale.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

— Russell McMahon
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Ciò semplificherebbe il layout; apprezzare l'analisi sopra - Ma non ho mai usato una parte che fornisce fino a ~ 500 mA con un dropout abbastanza basso (diciamo 150 mV o meno, simile a quello che hai suggerito); C'è una parte così comune?

— Boardbite il

1

Usando Digikey & Mouser, ora ho trovato alcuni regolatori LDO adatti ed economici che hanno una bassa tensione di interruzione per corrente 400-500 mA. Ho modificato la tua risposta per includere queste opzioni per i futuri lettori interessati a Li-ion -> 3.3V

— boardbite

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Vorrei provare uno dei seguenti metodi:

aumentare la tensione fino a quando non scende al di sotto di 3,3 V e quindi regolare fino a questo valore
utilizzare due batterie in serie
prova a ridisegnare il circuito; alcuni circuiti integrati con una tensione nominale di 3,3 V funzioneranno anche a 2,5 V.

— Kamil Domański
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La seconda e la terza idea, sebbene buone da sapere, non sono opzioni nel mio caso. Per quanto riguarda la prima opzione, non diresti che aumentarla prima separatamente e poi regolarla è un metodo abbastanza inefficiente?

— boardbite il

Anzi, comunque non mi viene in mente nient'altro.

— Kamil Domański,

2

Prendi una batteria LFP (litio ferrofosfato). La tensione nominale è di circa 3,2 V e la tensione di lavoro varia da 3,0 a 3,3 V. L'esaurimento della batteria agli ioni di litio da 4,7 V al di sotto di 3,7 V è solo dannoso per la sua vita in quanto è inversamente proporzionale alla profondità di scarica

— Abel Rwego
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Ad essere onesti, un regolatore LDO è probabilmente abbastanza buono. Quando una cella Li-Po scende a 3,3 V, ha erogato la maggior parte della sua potenza (vedi curva di scarica lipo). Molti dispositivi (esp8266, nrf24l01, ecc.) Che indicano un'alimentazione nominale di 3,3 V funzioneranno ben al di sotto di 3,3 V.

Come esempio pratico, ho costruito un tachimetro con trasmettitore wireless e moduli ricevitore / display utilizzando i moduli NRF24L01 per i regolatori lineari wireless e BA33BC0T. Sia la tensione della cella del trasmettitore che quella del ricevitore sono visualizzate sul display del ricevitore e in pratica si interrompono di circa 3,1-3,0 V. Guido in (questi dispositivi funzionano in) temperature da 5 a 30 gradi C.

Tenendo presente che la scheda tecnica di questo regolatore LDO riportava una differenza di 0,3 V-0,5 V / O (penso?) E NRF24L01 cita un intervallo di fornitura di 3,0 V-3,6 V, questo è davvero buono per un progetto Li-Po.

— Josh Audette
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