智能家居中电池特性分析及设计方案

2023-5-21 19:02| 发布者: 开心| 查看: 68| 评论: 0

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摘要: {本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}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 ...

{本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}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：

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： 1. TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802 2. TI 可视化门铃参考设计：http://www.ti.com/solution/video-doorbell 3. Energizer technical information: https://data.energizer.com/battery-handbook-crosssections 4. 18650 锂电池电压和电量的关系http://www.cbea.com/ldc/201902/749081.html 5. 可视化门铃设计指南：http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067 6. 干电池剩余电量检测研究：http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html  推荐阅读： PCB布局技巧：带条纹的电容可否利用DAC来改变交流信号的幅值？霍尔电流传感器在电信整流器和服务器电源中的应用贸泽电子连续第三年荣获Neutrik年度分销商大奖使用POWERPRO降低动态功耗简介要采购传感器么，点这里了解一下价格!
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