3,3 V régulé par une batterie lithium-ion (ou LiPo)

Contexte

Je souhaite alimenter mon circuit avec une batterie Lithium-ion ou LiPo (probablement une batterie d’une capacité d’environ 1000 mAh). Ces batteries ont une tension allant de 4,2V à 2,7V généralement pendant leur cycle de décharge.

Mon circuit (fonctionnant à 3,3 V) a une exigence de courant maximale de 400mA - bien que je devrais préciser qu'il ne s'agit que de la consommation de pointe se produisant environ 5% du temps; le circuit ne consomme que 5 mA environ les 95% restants).

Question

Quel serait le meilleur moyen de convertir la tension de sortie (changeante) d’une batterie lithium-ion en 3,3 V requis pour alimenter mon circuit avec une consommation de courant jusqu’à 400 mA? Par "meilleure manière", j'entends la conversion de tension la plus efficace afin de tirer le meilleur parti de la capacité de la batterie.

La partie délicate pour moi a été le fait que la tension de la batterie Li-ion sera à la fois parfois supérieure et parfois inférieure à la tension finale requise! S'il ne s'agissait que de l'un de ces deux systèmes, j'aurais probablement utilisé soit un régulateur LDO, soit un CI boost comme TPS61200, respectivement.

Vous devriez essayer avec le convertisseur CC / CC de BUCK-BOOST. Ils sont disponibles avec une efficacité supérieure à 90%. Consultez les sites Web TI et Linear; il existe des "calculatrices" qui pourraient vous aider:

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

Options:

• TPS63031
• TPS63001

• Un régulateur linéaire fera aussi bien que n'importe quelle alternative.

• Les options de pièces de régulateur appropriées (peu coûteuses et avec une faible tension de chute inférieure à 200 mV à un courant compris entre 400 et 500 mA) sont les suivantes: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3.

• L'efficacité sera proche de ou supérieure à 90% pour la majeure partie de la plage de tension de la batterie.

• Probablement 80% + de la capacité de la batterie sera disponible et laisser une certaine capacité dans la batterie ajoutera utilement au cycle de vie de la batterie car les batteries LiPo et LiIon "s'usent moins" si Vbattery ne tombe pas trop bas.

• Un régulateur Buck pourrait obtenir une meilleure efficacité s'il est conçu avec un soin extrême, mais dans de nombreux cas, il ne le sera pas.

Fiche technique TPS72633 - Sortie 3.3V fixe, <= 5,5V in. Fréquence de coupure bien inférieure à 100 mV à 400 mA sur toute la plage de température. Environ 2,55 $ US / 1 chez Digikey, diminue avec le volume.

Fiche technique TPS737xx jusqu'à 1A avec 130 mV d'abandon typique à 1A.

LD39080 ... fiche technique 800 mA, abandon OK.

Vous dites que la charge atteint un pic de 400 mA sur de courtes périodes mais <= 5 mA pendant 95% du temps. Vous ne dites pas quelle capacité de batterie vous souhaitez utiliser, mais supposons une capacité de 1000 mAh - pas une très grande batterie physiquement et commune dans les téléphones portables, etc.

Si l'on souhaite obtenir 3,3V, il est facile d'obtenir un régulateur avec Vin> = 3,4V et encore plus de 3,5V.

Alors, quel pourcentage de la capacité de la batterie obtenons-nous à 0,4 C à la température ambiante? D'après les graphiques ci-dessous - probablement plus de 75% à 400 mA et près de 100% à 5 mA pour une batterie de 1000 mAh. Voir ci-dessous.

Pour Vout = 3,3V et 90% d'efficacité, Vin = 3,3 x 100% / 90% = 3,666 = 3,7V. Ainsi, jusqu’à 3,7 V, un régulateur linéaire donne> = 90% - qu’il est possible de dépasser avec un convertisseur abaisseur de tension, mais seulement avec une grande prudence. Même à Vin = 4,0V, l'efficacité = 3,3 / 4 = 82,5%, et Vin ne tarde pas à tomber en dessous de cette valeur, de sorte que dans la plupart des cas l'efficacité d'un régulateur linéaire sera proche de ou supérieure à 90%, tout en utilisant le majorité de la capacité de la batterie.

Bien que je pense que la valeur de 3,7 V de D Pollit pour Vbattery_min est trop élevée dans ce cas, utiliser une valeur de 3,5 V ou de 3,4 V fournira la grande majorité de la capacité de la batterie et prolongera utilement la durée de vie de la batterie.

Capacité en facteur de température et de charge: 400 mA = 0.4C.

Le graphique de gauche ci-dessous, tiré d'une fiche Sanyo LiPo, a été cité à l'origine . À une température de décharge de 0,5 ° C, la tension chute en dessous de 3,5 V à environ 2 400 mAh ou 2 400/2700 = 88% de la capacité nominale de 2 700 Ah.

Le graphique de droite montre la décharge à un courant de C / 1 (~ = 2700 mA) à différentes températures. À une température de 0 ° C (0 degré Celsius), la tension chute au-dessous de 3,5 V à environ 1 400 mAh, mais à 25 ° C, elle est d'environ 2 400 mAh (comme l'indique le graphique de gauche); nous pouvons donc nous attendre à une baisse importante de la capacité. mais au moins 10 C vous attendez 2000 mAh ou plus. C'est à la décharge C / 1, le 400 mA = 0,4 ° C dans cet exemple, et le taux de décharge à 95% de 5 mA donnera probablement une capacité presque complète.

Je voudrais essayer l'une des méthodes suivantes:

• augmenter la tension jusqu'à ce qu'il ne tombe pas en dessous de 3,3 V, puis réglez à cette valeur
• utiliser deux piles en série
• essayez de repenser le circuit; certains circuits intégrés avec une tension nominale de 3,3 V fonctionneront même à 2,5 V

Procurez-vous une pile LFP (ferrophosphate de lithium). La tension nominale est d'environ 3,2 V et la tension de fonctionnement est comprise entre 3,0 et 3,3 V. Vider votre batterie lithium-ion de 4,7 V à moins de 3,7 V nuit à sa durée de vie, car elle est inversement proportionnelle à la profondeur de décharge.

Pour être honnête, un régulateur LDO est probablement suffisant. Lorsqu'une cellule Li-Po tombe à 3,3 V, elle fournit la plus grande partie de sa puissance (voir courbe de décharge lipo). De nombreux appareils (esp8266, nrf24l01, etc.) qui indiquent une alimentation nominale de 3,3 V fonctionneront bien en dessous de 3,3V.

À titre d’exemple pratique, j’ai construit un compteur de vitesse avec des modules émetteur et récepteur / afficheur sans fil utilisant des modules NRF24L01 pour les régulateurs linéaires sans fil et BA33BC0T. Les tensions des cellules de l'émetteur et du récepteur sont indiquées sur l'écran du récepteur et, dans la pratique, elles sont coupées à environ 3.1-3.0V. Je roule dans (ces appareils fonctionnent) à des températures de 5 à 30 degrés C.

Gardant à l'esprit que la fiche technique de ce régulateur LDO mentionnait une différence de 0,3V à 0,5VI / O (je pense?) Et que le NRF24L01 citait une plage d'alimentation de 3,0V à 3,6V, c'est vraiment bon pour un projet Li-Po.