Regulado 3.3V de una batería de iones de litio (o LiPo)

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Fondo

Deseo alimentar mi circuito con una batería de iones de litio o LiPo (probablemente una batería con alrededor de 1000 mAh de capacidad). Estas baterías tienen un voltaje que va de 4.2V a 2.7V típicamente durante su ciclo de descarga.

Mi circuito (que funciona a 3.3V) tiene un requisito de corriente máxima de 400 mA, aunque debo decir que este es solo el pico de consumo que ocurre aproximadamente el 5% del tiempo; el circuito consume solo alrededor de 5 mA el 95% restante del tiempo).

Pregunta

¿Cuál sería la mejor manera de convertir el voltaje de salida (cambiante) de una batería de iones de litio en los 3.3V requeridos para alimentar mi circuito con un consumo de corriente máximo de 400 mA? Por "mejor manera", me refiero a la conversión de voltaje más eficiente para aprovechar al máximo la capacidad de la batería.

La parte difícil para mí ha sido el hecho de que el voltaje de la batería de iones de litio será a veces ARRIBA y, a veces, BAJO mi voltaje final requerido. Si fuera solo uno de esos dos, probablemente habría utilizado un regulador LDO o un IC de refuerzo como TPS61200, respectivamente.

bocado
fuente
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No desea drenar una lipo por debajo de 3.7v al menos si planea cargarla nuevamente.
Chris Stratton
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@ChrisStratton: 3.7 voltios ?? Estoy bastante seguro de que la protección contra subtensión en LiPo y iones de litio se establece en torno a 2.7V, si eso es a lo que se refiere.
Mordisco
No, si desea que las celdas de polímero de litio mantengan su capacidad de carga futura, no lo es. Si desea obtener la mejor vida útil de ellos, no los deje caer por debajo de 3.7v (quizás 3.6v en el exterior)
Chris Stratton
Curioso sobre esto: ¿podría proporcionar una fuente? Pregunto porque al observar una curva de descarga de cualquier LiPoly (y Li-ion), parece que el punto de voltaje coincide con solo la mitad de la capacidad descargada.
mordida
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@ChrisStratton: según las curvas de descarga a temperatura ambiente de Sanyo , a 3,7 voltios, solo se ha utilizado aproximadamente el 50% de la capacidad a una velocidad de descarga de 1,0 ° C. Y no conozco ninguna literatura que indique que la vida útil de la batería LiPo o la retención de la capacidad se mejoran al evitar la descarga por debajo de 3.7V. Proporcione una fuente para lo que está diciendo; Definitivamente sería una información valiosa para mí si lo que estás diciendo es válido.
Mordisco

Respuestas:

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Deberías probar con el convertidor BUCK-BOOST DC / DC. Están disponibles con una eficiencia superior al 90%. Consulte los sitios web de TI y Lineales; hay "calculadoras" que te ayudarán:

Opciones:

szymz
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Usé su tabla y actualmente estoy investigando TPS63031 o TPS63001 como posibles opciones
mordida del
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Linear Technology también tiene algunos controladores de aumento de inversión totalmente sincronizados. No encontrará un enfoque más eficiente que un refuerzo sincrónico. Otras topologías como SEPIC no son tan eficientes.
Adam Lawrence
@Madmanguruman: ¡De hecho! Y algunos de ellos están disponibles en paquetes MSOP "más grandes": parametric.linear.com/buck-boost_regulator
boardbite
El TPS63031 y el TPS63001 se ajustan perfectamente y, por lo tanto, los he agregado a esta Respuesta, pero para la posteridad, la Respuesta se actualizará una vez que verifique las opciones Lineales con más detalle.
Mordisco
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  • Un regulador lineal funcionará tan bien como cualquier otra alternativa.

  • Las opciones de piezas del regulador que son adecuadas (de bajo costo y con un voltaje de caída bajo de 200 mV con una corriente de alrededor de 400-500 mA) incluyen las siguientes: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

  • La eficiencia será cercana o superior al 90% para la mayoría del rango de voltaje de la batería.

  • Probablemente más del 80% de la capacidad de la batería estará disponible y dejar algo de capacidad en la batería se agregará útilmente a la vida útil del ciclo de la batería ya que las baterías LiPo y LiIon "se desgastan menos" si Vbattery no baja demasiado.

  • Un regulador de inversión podría obtener mejores eficiencias si se diseña con mucho cuidado, pero en muchos casos no lo hará.

Hoja de datos TPS72633 : salida fija de 3.3V, <= 5.5V in. Muy por debajo de la caída de 100 mV a 400 mA en todo el rango de temperatura. Alrededor de $ US2.55 / 1 en Digikey, cae con el volumen.

Hoja de datos de TPS737xx hasta 1A con una caída de 130 mV típica en 1A.

LD39080 ... hoja de datos 800 mA, desconexión correcta .


Usted dice que la carga es de 400 mA pico durante períodos cortos pero <= 5 mA durante el 95% del tiempo. No dice qué capacidad de batería desea usar, pero supongamos que tiene una capacidad de 1000 mAh, no es una batería muy grande físicamente y es común en teléfonos celulares, etc.

Si se necesitan 3.3V, entonces se puede lograr fácilmente un regulador con Vin> = 3.4V y 3.5V aún más.

Entonces, ¿qué porcentaje de la capacidad de la batería obtenemos a 0.4 C a temperatura ambiente? Según los gráficos a continuación, probablemente más del 75% a 400 mA y cerca del 100% a 5 mA para una batería de 1000 mAh. Vea abajo.

Para Vout = 3.3V y 90% de eficiencia, Vin = 3.3 x 100% / 90% = 3.666 = 3.7V. Entonces, hasta 3.7V, un regulador lineal proporciona> = 90%, que es posible exceder con un convertidor reductor, pero solo con mucho cuidado. Incluso a Vin = 4.0V, eficiencia = 3.3 / 4 = 82.5%, y Vin no tarda mucho en caer por debajo de esto, por lo que en la mayoría de los casos la eficiencia de un regulador lineal estará cerca o por encima del 90%, mientras usa el La mayoría de la capacidad de la batería.

Si bien creo que la cifra de D Pollit de 3.7V para Vbattery_min es demasiado alta en este caso, usar una cifra de 3.5V o 3.4V proporcionará la gran mayoría de la capacidad de la batería y prolongará la vida útil del ciclo de la batería.


Capacidad como factor de temperatura y carga: 400 mA = 0.4C.

El gráfico de la izquierda a continuación de una hoja de datos de Sanyo LiPo que se citó originalmente . A una descarga de 0.5C, el voltaje cae por debajo de 3.5V a aproximadamente 2400 mAh o 2400/2700 = 88% de la capacidad nominal de 2700 Ah.

El gráfico de la derecha muestra la descarga a una corriente de C / 1 (~ = 2700 mA) a varias temperaturas. A una temperatura de 0 C (0 grados Celsius), el voltaje cae por debajo de 3.5V a aproximadamente 1400 mAh, pero a 25 C es de aproximadamente 2400 mAh (según el gráfico de la izquierda), por lo que a medida que la temperatura cae podemos esperar una caída sustancial en la capacidad, pero abajo para decir 10 C esperarías 2000 mAh o más. Eso es en descarga C / 1, los 400 mA = 0.4C en este ejemplo, y la tasa de descarga del 95% de 5 mA probablemente dará una capacidad nominal casi completa.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Russell McMahon
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Esto simplificaría el diseño; aprecio el análisis anterior, pero nunca he usado una parte que proporcione hasta ~ 500 mA con una caída suficientemente baja (digamos 150 mV o menos, similar a lo que sugirió); ¿Hay una parte común de este tipo?
Mordida del
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Usando Digikey y Mouser, ahora he encontrado algunos reguladores LDO adecuados y económicos que tienen un voltaje de caída bajo para una corriente de 400-500 mA. He editado su Respuesta para incluir estas opciones para futuros lectores interesados ​​en Li-ion -> 3.3V
mordida del
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Probaría uno de los siguientes métodos:

  • aumente el voltaje hasta que no caiga por debajo de 3.3V y luego regule a este valor
  • use dos baterías en serie
  • intenta rediseñar el circuito; algunos circuitos integrados con voltaje nominal de 3.3V funcionarán incluso a 2.5V
Kamil Domański
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Las ideas segunda y tercera, aunque es bueno saberlo, no son opciones en mi caso. Con respecto a la primera opción, ¿no diría que impulsarla por separado primero y luego regularla es un método bastante ineficiente?
Mordida del
De hecho, sin embargo, nada más me viene a la mente.
Kamil Domański
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Obtenga una batería LFP (ferrofosfato de litio). El voltaje nominal es de aproximadamente 3.2V y el voltaje de trabajo varía de 3.0 a 3.3V. Agotar la batería de iones de litio de 4.7V a menos de 3.7V es perjudicial para su vida útil, ya que es inversamente proporcional a la profundidad de descarga.

Abel Rwego
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Para ser sincero, un regulador LDO es probablemente lo suficientemente bueno. Cuando una celda Li-Po baja a 3.3V, ha entregado la mayor parte de su potencia (vea la curva de descarga de lipo). Muchos dispositivos (esp8266, nrf24l01, etc.) que indican un suministro nominal de 3.3V funcionarán muy por debajo de 3.3V.

Como ejemplo práctico, construí un velocímetro con módulos inalámbricos de transmisor y receptor / pantalla utilizando módulos NRF24L01 para los reguladores inalámbricos y lineales BA33BC0T. Tanto el voltaje de la celda del transmisor como el del receptor se muestran en la pantalla del receptor y, en la práctica, se cortan alrededor de 3.1-3.0V. Monto en (estos dispositivos funcionan) temperaturas de 5 a 30 grados C.

Teniendo en cuenta que la hoja de datos de este regulador LDO citó una diferencia de 0.3V-0.5VI / O (¿creo?) Y el NRF24L01 cita un rango de suministro de 3.0V-3.6V, esto es realmente bueno para un proyecto Li-Po.

Josh Audette
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