3.3V regulado a partir de uma bateria de íon de lítio (ou LiPo)

fundo

Desejo alimentar meu circuito com uma bateria de íon de lítio ou LiPo (provavelmente uma bateria com capacidade em torno de 1000 mAh). Essas baterias possuem uma voltagem que varia de 4,2V a 2,7V, normalmente durante o ciclo de descarga.

Meu circuito (rodando a 3,3V) tem um requisito de corrente máxima de 400mA - embora eu deva declarar que esse é apenas o pico de consumo que ocorre cerca de 5% do tempo; o circuito consome apenas cerca de 5 mA nos 95% restantes).

Questão

Qual seria a melhor maneira de converter a tensão (variável) de saída de uma bateria de íon de lítio nos 3,3V necessários para alimentar meu circuito com o consumo de corrente de pico de 400 mA? Por "melhor maneira", quero dizer a conversão de tensão mais eficiente, a fim de fazer o melhor uso da capacidade da bateria.

A parte mais complicada para mim foi o fato de que a tensão da bateria de íon de lítio às vezes será ACIMA e ABAIXO da tensão final necessária! Se fosse apenas um desses dois, eu provavelmente teria usado um regulador LDO ou um IC de impulso como o TPS61200, respectivamente.

Você deve tentar com o conversor BUCK-BOOST DC / DC. Estão disponíveis com eficiência acima de 90% Confira os sites TI e Linear; existem "calculadoras" que ajudam você a:

• http://www.ti.com/lsds/ti/analog/powermanagement/power_portal.page
• http://parametric.linear.com/buck-boost_regulator

Opções:

• TPS63031
• TPS63001

• Um regulador linear fará tanto quanto qualquer outra alternativa.

• As opções de peças do regulador que são adequadas (baratas e com baixa tensão de queda de menos de 200mV a cerca de 400-500 mA de corrente) incluem o seguinte: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

• A eficiência estará próxima ou acima de 90% na maior parte da faixa de tensão da bateria.

• Provavelmente, 80% da capacidade da bateria estará disponível e deixar alguma capacidade na bateria aumentará a vida útil da bateria, pois as baterias LiPo e LiIon "se desgastam menos" se o Vbattery não cair muito.

• Um regulador fanfarrão poderia obter melhores eficiências se extremamente cuidadosamente projetado, mas em muitos casos não o será.

Folha de dados TPS72633 - saída 3.3V fixa, <= 5.5V pol. Bem abaixo de 100 mV de queda a 400 mA em toda a faixa de temperatura. Aproximadamente US $ 2,55 / 1 na Digikey cai com volume.

Folha de dados TPS737xx até 1A com queda de 130 mV típica em 1A.

LD39080 ... datasheet 800 mA, saída em OK.

Você diz que a carga é de pico de 400 mA em curtos períodos, mas <= 5 mA em 95% das vezes. Você não diz qual a capacidade da bateria que deseja usar, mas vamos assumir a capacidade de 1000 mAh - não uma bateria muito grande fisicamente e comum em celulares etc.

Se 3.3V for desejado, um regulador com Vin> = 3.4V é facilmente alcançado e 3.5V ainda mais.

Então, qual% da capacidade da bateria atingimos 0,4 C em temperatura ambiente? Com base nos gráficos abaixo - provavelmente acima de 75% a 400 mA e próximo a 100% a 5 mA para uma bateria de 1000 mAh. Ver abaixo.

Para Vout = 3,3V e 90% de eficiência, Vin = 3,3 x 100% / 90% = 3,666 = 3,7V. Portanto, até 3,7V, um regulador linear fornece> = 90% - o que é possível exceder com um conversor buck, mas apenas com muito cuidado. Mesmo em Vin = 4,0V, eficiência = 3,3 / 4 = 82,5%, e não demora muito para Vin cair abaixo disso, portanto, na maioria dos casos, a eficiência de um regulador linear será próxima ou acima de 90%, enquanto estiver usando o maior parte da capacidade da bateria.

Embora eu ache que a figura de 3,7V de D Pollit para Vbattery_min seja muito alta nesse caso, usar uma figura de 3,5V ou 3,4V fornecerá a grande maioria da capacidade da bateria e prolongará a vida útil da bateria.

Capacidade como fator de temperatura e carga: 400 mA = 0,4C.

O gráfico à esquerda abaixo de uma folha de dados da Sanyo LiPo que foi originalmente citada . Em uma descarga de 0,5 ° C, a tensão cai abaixo de 3,5V a cerca de 2400 mAh ou 2400/2700 = 88% da capacidade nominal de 2700 Ah.

O gráfico à direita mostra a descarga a uma corrente de C / 1 (~ = 2700 mA) a várias temperaturas. A uma temperatura de 0 ° C (0 graus Celsius), a tensão cai abaixo de 3,5V a cerca de 1400 mAh, mas a 25 ° C é de cerca de 2400 mAh (conforme gráfico à esquerda). mas para dizer 10 ° C, você esperaria 2000 mAh ou mais. Isso está na descarga C / 1, os 400 mA = 0,4C neste exemplo, e a taxa de descarga de 95% de 5 mA provavelmente dará quase a capacidade nominal total.

Eu tentaria um dos seguintes métodos:

• aumentar a tensão até que não caia abaixo de 3,3V e depois regular esse valor
• use duas baterias em série
• tente redesenhar o circuito; alguns ICs com tensão nominal de 3,3V funcionarão mesmo em 2,5V

Adquira uma bateria LFP (ferrofosfato de lítio). A tensão nominal é de cerca de 3,2V e a tensão de trabalho varia de 3,0 a 3,3V. Drenar sua bateria de íon de lítio de 4,7V abaixo de 3,7V é prejudicial à sua vida útil, pois é inversamente proporcional à profundidade da descarga

Para ser honesto, um regulador LDO provavelmente é bom o suficiente. Quando uma célula Li-Po chega a 3,3V, ela fornece a maior parte de sua energia (consulte a curva de descarga lipo). Muitos dispositivos (esp8266, nrf24l01, etc.) que afirmam que a alimentação nominal de 3.3V funcionará bem abaixo de 3.3V.

Como exemplo prático, construí um velocímetro com transmissor sem fio e módulos receptor / display usando os módulos NRF24L01 para os reguladores lineares sem fio e BA33BC0T. A tensão da célula do transmissor e do receptor é mostrada no visor do receptor e, na prática, eles cortam em torno de 3,1-3,0V. Eu monto (esses dispositivos operam em) temperaturas de 5 a 30 graus C.

Tendo em mente que a folha de dados deste regulador LDO citou uma diferença de 0,3V-0,5VI / O (acho?) E a NRF24L01 cita uma faixa de fornecimento de 3,0V-3,6V, isso é realmente bom para um projeto de Li-Po.