【導讀】現在，智能樓宇自動(dòng)化中加入了越來(lái)越多的智能傳感器，比如智能貓眼，門(mén)鈴，便攜式攝像頭以及煙感等。這些產(chǎn)品通常采用電池供電，如常見(jiàn)的18650鋰電池，AA 干電池。那么在電池供電的產(chǎn)品中，如何設計合理的供電方案是延長(cháng)電池使用時(shí)間是重點(diǎn)問(wèn)題。
文章會(huì )首先會(huì )分析常用電池的特性分析，其次以可視化門(mén)鈴為例提供技術(shù)設計方案。
1. 不同電池特性分析
在智能家居產(chǎn)品中，常用的電池類(lèi)型主要是干電池和鋰電池。鋰電池又分為18650 圓柱型電池，聚合物鋰電池，鎳氫電池等。由于電池電壓會(huì )隨著(zhù)電池使用而降低，對后級電路設計提出了要求。下面是這三種鋰電池分別的特性：
無(wú)論是哪種類(lèi)型的鋰電池，其放電特性和電量曲線(xiàn)基本一致。下圖1是鋰電池不同放電率下電壓和電量的關(guān)系曲線(xiàn)。
圖1 鋰電池不同放電率電壓和電量關(guān)系
從圖1中可以看出不同的放電率，電池電壓和電量的關(guān)系是不同的，同時(shí)也和工作溫度相關(guān)。因此，不能針對電池的電壓來(lái)判斷電池是否有電量。通常情況下，鋰電池電壓掉到3V時(shí)，電池基本沒(méi)有剩余電量，此時(shí)即使通過(guò)升壓芯片，也無(wú)法提供足夠的能量供負載使用。
同時(shí)，下圖2展示了在不同負載情況下，電池電壓和電量的關(guān)系。在不同的負載情況下，相同的電池電壓， 剩余電池電量也會(huì )產(chǎn)生很大的差距。SOC (State of Charge)為鋰電池中可用電能的狀態(tài)，通常以百分比表示。相對荷電狀態(tài)的范圍是0%-100%，電池完全充電時(shí)是100%，完全放電時(shí)是0%。負載電流又分為脈沖電流和持續電流，在脈沖電流和持續電流放電情況下，電池的放電曲線(xiàn)也會(huì )不同，比如MCU, Sub-1G類(lèi)負載在啟動(dòng)時(shí)都會(huì )產(chǎn)生脈沖電流，對于LED等為持續電流。
圖2 不同負載下電池電壓和電量的關(guān)系
另一類(lèi)應用廣泛的電池為紐扣電池和干電池。常見(jiàn)的堿性紐扣電池標稱(chēng)電壓為1.5V，鋰紐扣電池為3V.干電池的工作電壓為0.7V~1.5V，當電池放電到電壓低于0.7V時(shí)將不能正常工作。同時(shí)，其恒流放電曲線(xiàn)也和外界環(huán)境因素相關(guān)。下圖3和圖4分別為鋰紐扣電池和干電池電池的恒流放電曲線(xiàn)：
圖3 鋰紐扣電池電壓和電量關(guān)系
圖4 干電池電壓和電量關(guān)系
從上面兩張圖可以看出，以3V系統為例，針對紐扣電池，當電池電壓下降到2.5V時(shí)，電池依然留有剩余電量可以供系統使用。但由于電池電壓太低，無(wú)法提供足夠的電壓，為了進(jìn)一步延長(cháng)電池使用時(shí)間，需要將2.5V電壓升壓到滿(mǎn)足系統工作水平。
2. 電源設計應用舉例
考慮到現在的電池供電智能家居產(chǎn)品中，通常會(huì )采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數據的傳輸，比如WIFI 藍牙等。如前文所述，當通信設備瞬間啟動(dòng)時(shí)，會(huì )有一個(gè)較大的啟動(dòng)電流 (通常1A~2A) 瞬間將電池電壓拉低。當電池電壓過(guò)低時(shí)，導致后面的電源芯片進(jìn)入UVLO，系統停止工作。結合以上分析電池電壓和電量的應用，在進(jìn)行電源設計時(shí)，可以使用buck-boost 芯片來(lái)滿(mǎn)足常用的應用場(chǎng)合。
結合到電池低功耗的需求，需要靜態(tài)電流較低的IC，通常為nA /uA級別。結合到智能家居中WIFI/BLE 包括speaker 和LED 的使用，會(huì )需要較大的工作電流，一般為1A~2A 左右。低Iq 的 2A輸出電流的buck-boost 芯片TPS63802就非常適用于這一類(lèi)應用。
TPS63802 是一款靜態(tài)電流11uA 2A輸出的buck-boost 芯片，輸入電壓范圍從1.3V~5.5V， 能夠覆蓋大部分智能家居產(chǎn)品的應用，幫助用戶(hù)進(jìn)一步減小設計體積。根據TI 的參考設計，整體設計尺寸可以降低至~28mm. 詳細信息，可以參考TI 官網(wǎng)，TPS63802 技術(shù)資料。
下面圖5以可視化門(mén)鈴為例，TI 提供了完整的設計方案，所有技術(shù)資料均可以在TI 官網(wǎng)下載查詢(xún)。
圖5 可視化門(mén)鈴參考設計
參考文獻：
1. TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802
2. TI 可視化門(mén)鈴參考設計：http://www.ti.com/solution/video-doorbell
3. Energizer technical information: https://data.energizer.com/battery-handbook-crosssections
4. 18650 鋰電池電壓和電量的關(guān)系http://www.cbea.com/ldc/201902/749081.html
5. 可視化門(mén)鈴設計指南：http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067
6. 干電池剩余電量檢測研究：http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html
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