鉅大LARGE | 點擊量：341次 | 2023年05月22日
智能家居中電池特性分析及設計方案
摘要
現在，智能樓宇自動化中加入了越來越多的智能傳感器，比如智能貓眼，門鈴，便攜式攝像頭以及煙感等。這些產品通常采用電池供電，如常見的18650鋰電池，AA 干電池。那么在電池供電的產品中，如何設計合理的供電方案是延長電池使用時間是重點問題。
文章會首先會分析常用電池的特性分析，其次以可視化門鈴為例提供技術設計方案。
1. 不同電池特性分析
在智能家居產品中，常用的電池類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。由于電池電壓會隨著電池使用而降低，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：
| 電池類型 | 18650圓柱型電池 | 聚合物鋰電池 | 鎳氫電池 |
| 特性 |
-能量密度高。 -工作電壓平臺高。 -循環壽命長。 -自放電小 |
- 重量親，體積薄，容量密度高 - 充放電特性好 - 無記憶效應 |
-成本低 - 快充特性好 - 壽命長，無記憶效應 - 工作溫度范圍廣 |
無論是哪種類型的鋰電池，其放電特性和電量曲線基本一致。下圖1是鋰電池不同放電率下電壓和電量的關系曲線。
從圖1中可以看出不同的放電率，電池電壓和電量的關系是不同的，同時也和工作溫度相關。因此，不能針對電池的電壓來判斷電池是否有電量。通常情況下，鋰電池電壓掉到3V時，電池基本沒有剩余電量，此時即使通過升壓芯片，也無法提供足夠的能量供負載使用。
同時，下圖2展示了在不同負載情況下，電池電壓和電量的關系。在不同的負載情況下，相同的電池電壓， 剩余電池電量也會產生很大的差距。SOC (State of Charge)為鋰電池中可用電能的狀態，通常以百分比表示。相對荷電狀態的范圍是0%-100%，電池完全充電時是100%，完全放電時是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，電池的放電曲線也會不同，比如MCU, Sub-1G類負載在啟動時都會產生脈沖電流，對于LED等為持續電流。
-40℃ 0.5C放電容量≥70%
充電溫度：0~45℃
放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃放電容量保持率：0.5C放電容量≥70%
另一類應用廣泛的電池為紐扣電池和干電池。常見的堿性紐扣電池標稱電壓為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時將不能正常工作。同時，其恒流放電曲線也和外界環境因素相關。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：
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，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，無法提供足夠的電壓，為了進一步延長電池使用時間，需要將2.5V電壓升壓到滿足系統工作水平。
2. 電源設計應用舉例
考慮到現在的電池供電智能家居產品中，通常會采用無線方式進行數據的傳輸，比如WIFI 藍牙等。如前文所述，當通信設備瞬間啟動時，會有一個較大的啟動電流 (通常1A~2A) 瞬間將電池電壓拉低。當電池電壓過低時，導致后面的電源芯片進入UVLO，系統停止工作。結合以上分析電池電壓和電量的應用，在進行電源設計時，可以使用buck-boost 芯片來滿足常用的應用場合。
結合到電池低功耗的需求，需要靜態電流較低的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應用。
TPS63802 是一款靜態電流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品的應用，幫助用戶進一步減小設計體積。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，TPS63802 技術資料。
下面圖5以可視化門鈴為例，TI 提供了完整的設計方案，所有技術資料均可以在TI 官網下載查詢。
審核編輯：郭婷
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