鋰電池工作原理|鋰電池供電電源電路解析?-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-04-12
鋰電池供電電源電路設計解析，“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。
1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。隨著科學技術的發展，現在鋰電池已經成為了主流。
鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。
鋰金屬電池：
鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。
放電反應：Li+MnO2=LiMnO2
鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。
充電正極上發生的反應為：LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)
充電負極上發生的反應為：6C+XLi++Xe- = LixC6
充電電池總反應：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
正極
正極材料：可選的正極材料很多，主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：
正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。
充電時：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+ +xe-放電時：Li1-xFePO4+xLi+ +xe- → LiFePO4。
負極
負極材料：多采用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。
負極反應：放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入。
充電時：xLi+ + xe- + 6C → LixC6
放電時：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
單節鋰電池供電電源電路設計，包括升壓、充電管理等電路設計，一款基于鋰電池供電的產品，對于電源部分的大致要求是這樣的：
1、由單節可充電鋰電池供電；
2、板子自帶充電管理模塊，可外接5V太陽能板或安卓手機充電器直接充電；
3、需要穩定輸出5V電壓，給5V模塊供電；
4、需要穩定輸出3.8V電壓，瞬間帶載能力2A以上，給4G模塊供電模塊供電；
5、需要穩定輸出3.3V電壓，給MCU和其他3.3V的電子模塊供電；
首先，筆者通過查資料得知，一般標稱為3.7V的鋰電池的電壓范圍是在2.8V~4.2V，如果說想要得到穩定的5V、3.8V和3.3V電壓，顯然不能直接得到，需要借助特定電源芯片來實現。那么該如何選擇電源芯片呢？
首先，要得到5V電壓的話，毋庸置疑，必須得用升壓芯片了。那么，3.8V和3.3V兩種電壓，是否可以直接由鋰電池經過LDO來實現呢？沒毛病，實現也確實能實現，只不過，似乎有點浪費鋰電池的電量，因為不管是哪款LDO，始終都是輸入電壓要高于輸出電壓的，這樣一來，以得到3.3V電壓為例，鋰電池的電壓最多放到3.3V多一點，就不能繼續得到穩定的3.3V電壓了，這樣顯然是不行的！
思來想去，也只有采用“先升壓、再降壓”的方案了，選擇一款合適的升壓芯片，先將鋰電池的電壓升壓至5V，再通過降壓芯片，將電壓分別穩壓至3.8V和3.3V，這樣似乎就能滿足我們的要求了。
當然，市面上的升壓和降壓的芯片確實是比較多，筆者之前嘗試過了一種方案，但是感覺不是特別好，于是，后面又找了另外一家的芯片。在廠家技術的指導下，對之前的電路進行了改善。那么廢話不多說，接下來，筆者就跟大家來分享一下我的這套方案。
首先，是鋰電池充電管理部分，筆者選用的是TC4056A這款芯片來作為單節鋰電池的充電管理芯片：
這款TC4056A也是市面上比較常見的一款單節鋰電池充電管理芯片，充電電壓固定在4.2V，最大充電電流可大1A，同時自帶鋰電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結束的LED狀態引腳。
高手們或許發現了筆者電路上的一個問題，那就是，鋰電池充電部分并沒有帶保護電路，是不是有安全隱患？其實不然，因為筆者使用的電池是鋁包電池，而非18650那種鋰電池，這種鋁包電池本身就已經帶了保護板，所以筆者也就沒有再多此一舉了，那樣也浪費物料。
接下來，我們就來看下升壓部分的電路，鋰電池升壓部分筆者采用了一顆型號為KF2185的同步升壓芯片，這款芯片的同步升壓效率最高可達94%，持續帶載能力可以達到2A以上，可調節電壓輸出，外圍電路也是很簡單。
接下來，就是3.8V的穩壓芯片，筆者這里選用的也是一款可以電壓輸出的芯片KF7416，這款芯片的轉換效率也是最高可達到95%，外圍電路也是非常的簡單，SOT23-6的封裝，也算是很節省空間了。
最后，就是3.3V電壓的穩壓電路了，關于3.3V電壓其實有兩種渠道可以獲得，一是從5V得到，另外一種就是從3.8V得到。由于筆者這里的3.8V是要給4G模塊供電的，而且，出于省電考慮，在平時用不上4G模塊的時候，是需要將4G模塊的電源單獨斷開的，而MCU和其他的3.3V的模塊又是需要一直上電的。
因此，這里就不能直接用3.8V來穩壓了。關于3.3V的穩壓芯片實在是太多了，筆者也就隨手選了一個性價比還不錯的ME6211來使用了。
另外順便提下，在有些鋰電池應用中，如果不需要用到其他的電壓而只需要用到3.3V的電壓時，我們也可以選擇一個自帶升壓降壓的芯片來實現，就無需先升壓再降壓了，比如，筆者了解到的KF3448這款芯片，就能達到我們的目的：
當然，在選擇這些芯片的時候，很多時候還是要考慮帶載能力、功耗、體積、價格等方面的因素，大家在應用中還是要根據自己的實際情況作出合理的選擇。
1、如果長期用外接電源為筆記本電腦供電，或者電池電量已經超過80%，馬上取下電池。平時充電不需將電池充滿，充至80%左右即可。調整操作系統的電源選項，將電量警報調至20%以上，平時電池電量最低不要低于20%。
2、手機等小型電子設備，充好電就應立刻斷開電源線 （包括充電功能的USB接口），一直連接會損害電池。要經常充電，但不必非得把電池充滿。
3、無論是對筆記本還是手機等，都一定不要讓電池耗盡（自動關機）。
4、如果要外出旅行，可把電池充滿，但在條件允許的情況下隨時為電器充電。
5、使用更為智能省電的操作系統。
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