3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）-Toy模板网

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锂电池供电系统

一、锂电池

锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。
二次锂电池具有高能量密度、无记忆效应、重量轻、无污染、循环寿命长、自放电小等优点。
聚合物锂电池具有以下优点：无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体；可制成薄型电池：3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm；电池可设计成多种形状；电池可弯曲变形：高分子电池最大可弯曲900左右；可制成单颗高电压：液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压，高分子电池由于本身无液体，可在单颗内做成多层组合来达到高电压；容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍。
锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)，。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的，锂离子电池的终止放电电压为 2.5V～2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同)。锂电池标注中，3.7V指电池使用过程中放电的平台电压，而4.2伏指的是充电满电时的电压。
锂电池需充足电后保存。在20℃下可储存半年以上，锂电池适宜在低温下保存。
在锂电池供电系统中，需要三个电路：①锂电池充电电路，锂电池的充电要求较高，需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电；②锂电池保护电路，保护电路为锂电池提供过充电、过放电、短路过流、过温保护；③锂电池输出电路，3.7V锂电池充满电后为4.2V，放电平台电压为3.7V，对于嵌入式系统或其他负载电路来说，需要将3.7V电压升降压为5V、3.3V等电压才能使用。

锂电池基础问题：https://blog.csdn.net/dddxxxx/article/details/55104433
锂电池应用电路：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/110270332

二、锂电池充放电

1、锂电池充放电要求

(1)、锂电池的充电：锂电池的充电要求较高，需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电，通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以内时，应停止充电。
锂电池过充电：根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压为4.2V。在电池充满电后在继续充电，会导致电池的过充电。由于在设计时，锂电池负极容量要比正极容量高，过充电会导致正极的锂离子被消耗太多，损耗电池进而使电池报废。
充电电流（mA）=0.1～1.5倍电池容量（如1000mAh的电池，其充电电流可控制在100~1500mA之间）。充电电流在0.2C-0.8C之间比较适宜，常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。
(2)、锂电池的放电：因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。
放电终止电压通常为 3.0V/节，最低不能低于2.5V/节。一般根据放电电流来确定放电截止电压。0.2C-2C放电一般设定1.0V/支,3C 以上如5C或10C放电设定为0.8V/支。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流。锂电池放电电流 (mA)不应超过电池容量的3倍。（如1000mAH电池，则放电电流应严格控制在3A以内）否则会使电池损坏。

2、锂电池充电过程

锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。
锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。下图为充电曲线。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
(1)、涓流充电阶段（在电池过渡放电，电压偏低的状态下）
3.0V以下。锂电池内部的介质会发生一些物理变化，致使充电特性变坏，容量降低等。在这个阶段，只能通过涓涓细流缓慢的对锂电池充电，使锂电池内部的电介质慢慢的恢复到正常状态。
涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)。
(2)、恒流充电阶段（电池从过放状态恢复到了正常状态）
当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V。
(3)、恒压充电阶段（已经充满85%以上，在慢慢的进行补充）
当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA）。
(4)、充电终止：有两种典型的充电终止方法，采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停。

充电结束后,如检测到电池电压低于充电IC的再充电门限电压将重新充电。

3、锂电池充电方案

锂电池的充电要求较高，需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电，充电电流在0.2C-0.8C之间比较适宜，下面介绍采用TP4056充电IC的锂电池充电方案。
TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的SOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
在TP4056充电电路中RPROG电阻的计算：
这个电阻决定了最大充电电流的大小，充电电流I=1200/RPROG，这里选择RPROG为1.2k，最大充电电流为1A。

VCC电阻的选择：
此电阻的作用：增加热调节电流；降低内部MOSFET两端的压降能够显著减少IC中的功耗。在热调节期间，这具有增加输送至电池的电流的作用。对策之一是通过一个外部元件（例如一个电阻器或二极管）将一部分功率耗散掉。
充电器在工作的时候会发热，在发热的情况下，比如规定最大充电电流为1A，实际上发热以后充电电流达不到1A，越热输出电流越小，为了解决这个问题，官方给出一个对策就是连接一个电阻，将一部分功率耗散掉。
让这个电阻承担一部分热量，减小芯片发热，来增加锂电池充电电流。
计算公式：
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
这里选择0.25欧姆，封装为1206，功率可以达到0.25W。假设0.25欧姆电阻上通过的电流是1A，功率为0.25W。实际上充电电流连948mA也达不到，因此功率达不到0.25W。

TP4056X充电IC相较于TP4056增加了电池正负极反接保护、输入电源正负极反接保护和短路保护，采用底部带有散热器的ESOP/EMSOP封装。当充电完成后，若BAT引脚电压4.12V的再充电门限电压以下，继续下一个充电循环。

TP4056X锂电池充电电路：
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
锂电池充放电原理：https://blog.csdn.net/nolatin/article/details/7054769
锂电池充电方案：https://blog.csdn.net/qq_36098477/article/details/105476631
TP4056电路设计：https://blog.csdn.net/weixin_30760895/article/details/96729692
锂电池充电过程详解：https://blog.csdn.net/enfang1120/article/details/89521245

三、锂电池保护

锂电池在使用过程中严禁过充电、过放电和短路故障，否则将会引起电池寿命缩短或起火、爆炸等事故，因此可充型锂电池都会连接一块充放电保护电路板（常简称保护板）来保护锂电池的安全。
保护电路由控制IC、MOSFET开关管、熔断保险丝、电阻、电容等元件组成。控制IC输出控制信号控制MOSFET开关管导通，使锂电池与外部电路连接，当锂电池电压或回路电流超过规定值时，控制IC控制MOSFET开关管关断，断开锂电池和外部电路的连接，保护锂电池。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
控制IC内置高精度电压检测电路和多级电流检测电路。其中，电压检测电路一是对充电电压进行检测，一旦达到其设定阈值（通常为3.9V～4.4V），立即进入过充电保护状态；二是对放电电压进行检测，一旦达到其设定阈值（通常为2.0V～3.0V ），立即进入过放电保护状态。
单节锂电池保护电路
保护电路的控制芯片为DW01（或312F）， MOS开关管为8205A，如图6所示，B＋、B-分别是接电芯的正、负极；P＋、P -分别是保护板输出的正、负极； T为温度电阻（NTC）端口，一般需要与用电器的CPU配合才能进行保护控制。
DW01或312F是一款锂电池保护芯片，内置有高精确度的电压检测与时间延迟电路，主要参数如下：过充检测电压为4.3V，过充释放电压为4.05V；过放检测电压为2.5V，过放释放电压为3.0V ；过流检测电压为5V，短路电流检测电压为1.0V；DW01允许电池输出的最大电流是3.3A。
8205A内含两只N沟道场效应管，当G极电压高于1V时，场效应管导通，D、S间的导通电阻很小（数十毫欧姆），相当于开关闭合；当基极电压低于0.7V时，开关管截止，D、S极间的导通内阻很大（几兆欧姆），相当于开关断开。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
锂电池保护电路工作原理
(1)正常工作：DW01和8205A所组成的保护电路如上图所示，8205A中的Q1为过放电保护管，Q2为过充电保护管。当电芯电压在2.5V～4.3V之间时，DW01的OD、OC脚均输出高电平（等于供电电压），CSI脚电压为0V。此时8205A内的两只N沟道场效应管Q1、Q2均处于导通状态，由于8205A的导通电阻很小，相当于D、S极间直通，此时锂电池的负极与保护电路的P-端相当于直接连通，保护电路有电压输出，电流回路为：B+→P+→外部电路→P-→Q2→Q1→B-。
(2)过放电保护：锂电池两端的电压随放电而渐渐降低，同时DW01内部通过电阻R1实时监测锂电池电压，当锂电池电压下降到2.3V（通常称为过放保护电压）时，DW01认为锂电池已处于过放电状态，其OD脚电压变为0， 8205A内Q1截止，此时锂电池的B-与P-之间处于断开状态，即锂电池的放电回路被切断，停止放电。
进入过放电保护状态后，锂电池电压会上升，若能上升到IC的门限电压（一般为3.1V，通常称为过放保护恢复电压），DW01的OD脚恢复输出高电平，8205A内的Q1再次导通。
(3)电池充电：无论保护电路是否进入过放电状态，只要给保护电路的P＋与P-端间加上充电电压，DW01经B-端检测到充电电压后，便立即从OC脚输出高电平，8205A内的Q2导通，即锂电池的B-保护电路的P-通，充电器对锂电池充电，电流回路为：P+→B+→B-→Q1（无论OD脚是不是高电平，由于反向二极管的存在，充电回路中Q1均可导通）→Q2→P-。
(4)过充电保护：当锂电池电压升高到4.4V（通常称为过充保护电压）时，DW01将判断电芯已处于过充电状态，便立即使OC脚电压降为0V， 8205A内的Q2截止，此时锂电池的B-极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持，即锂电池的充电回路被切断，停止充电。
当保护电路的P＋与P-端接上放电负载后，虽然Q2截止，但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同，所以仍可对负载放电。当锂电池两端电压低于4.3V（通常称为过充保护恢复电压）时，DW01将退出过充电保护状态，OC脚重新输出高电平，Q2导通，即锂电池的B-端与保护电路P-端又重新接上，锂电池又能进行正常的充放电。
(5)过流、短路保护：由于开关管饱和导通时也存在内阻，所以有电流流过时开关管的D、S极间就会产生压降，保护控制IC会实时检测开关管D、S极的电压，当电压升到IC保护门限值（一般为0.15V，称为放电过流检测电压）时，其放电保护执行端OD马上输出低电平，Q1关断，放电回路被断开。
DW01通过接在V-端和VSS端之间的电阻R2实时检测开关管上的压降。当负载电流增大时，Q1或Q2上的压降也必然增大，当该压降达到0.2V时，DW01便判断负载电流到达了极限值，于是其OD脚电压降为0V， 8205A内部的放电控制管Q1关闭，切断锂电池的放电回路，实现过电流保护。
(6)过温保护：保护板上的T端口为过温保护端，与用电器的CPU相连。常见的过温保护电路较简单，就是在T端与P-端接一只NTC电阻（见图中的R4），该电阻紧贴锂电池安装。当用电器长时间处于大功率工作状态时，锂电池温度会上升，则NTC阻值会逐渐下降，用电器的CPU对NTC阻值进行检测，当阻值下降到CPU设定阈值时，CPU立即发出关机指令，让电池停止对其供电，只维持很小的待机电流，从而达到保护电池的目的。

FS312F保护IC相较于DW01来说，过充检测电压为4.25V，过充释放电压为4.15V；过放检测电压为2.9V，过放释放电压为3.0V；过放检测电压较高一些，可以防止锂电池过放更深。
对于DW06保护IC，已经内部集成了功率MOS，无需外接8205A开关管，其他参数与DW01一致。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
FS312f和8205A锂电池保护电路：

锂电池充放电保护电路工作原理https://blog.csdn.net/u010783226/article/details/79267282
锂电池保护电路详解：https://blog.csdn.net/weixin_29705519/article/details/112542192

四、锂电池供电方案

3.7V锂电池充满电后为4.2V，放电平台电压为3.7V，对于嵌入式系统或其他负载电路来说，需要将3.7V电压升降压为5V、3.3V等电压才能使用，因此需要设计一定的升降压电路来将锂电池输出电压稳定在5V、3.3V。
3.7V锂电池充满电后为4.2V，放电平台电压为3.7V，锂电池放电至80%时电池电压为3.7V，放电至90%时为3.5V，对于带有锂电池保护板的锂电池来说，其放电最低电压为3V，则锂电池的输出电压范围为3~4.2V。
对于3.3V供电系统，由于锂电池放电至90%时仍然有3.5V的输出电压，选用一个低压差的LDO即可满足要求；如果想要压榨锂电池容量极限，则可以选择升降压芯片，将3~4.2V电压转化为3.3V电压，但升降压芯片价格较贵且不宜选择。
对于5V及以下电压供电系统，需要将锂电池电压先升高至5V，再将5V电压经过LDO或DCDC降压芯片转化至3.3V。

(1)3.7V升5V锂电池升压方案：

PW5300是电流模式升压DC-DC转换器。其内置0.2Ω功率MOSFET的PWM电路使该稳压器具有效率高的功率效率。内部补偿网络还可以程度地减少了6个外部元件的数量。误差放大器的同相输入连接到0.6V精密基准电压，内部软启动功能可以减低浪涌电流，PW5300采用SOT23-6L封装，为应用提供节省空间的PCB。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）

(2)3.3V降压DCDC方案：

PW2057,输出电压固定3.3V，最大输出电流0.7A，可以节省了2个调压电阻。同步整流效率高。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）

3.7V转3V方案：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/109690493
锂电池供电方案：https://blog.csdn.net/kuakewei123/article/details/109690515
锂电池电压与电量关系：https://blog.csdn.net/gezhiwu1213/article/details/46858801
锂电池3.7V升压5V方案：https://blog.csdn.net/qq_15079039/article/details/118353412
锂电池3.7V升压5V方案：https://blog.csdn.net/quke1/article/details/115460724
锂电池升压到5V1A，PW5300设计布局：https://blog.csdn.net/quke1/article/details/118964329

五、电源切换电路

在锂电池和USB电源供电系统中，在没有USB外接电源时，整个系统使用锂电池供电，当存在USB外接电源时，系统供电切换至外接电源，需要在锂电池和USB电源之间加入一个电源切换电路。
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
在上图中，使用低导通内阻的PMOS管做电源切换开关。
未接入VUSB，采用锂电池供电时，PMOS管的G极通过电阻下拉至GND，锂电池VBAT（3.7V-4.2V）通过PMOS管的反向二极管到达PMOS管的S极，VS>VG，VGS<0，PMOS管导通，导通之后，寄生二极管短路，不在起作用，此时VCC输出VBAT（3.7V~4.2V）电压。
接入VUSB电源后，PMOS管G极电压未VUSB=5V，S极电压为VCC=VUSB-VD1=5V-0.7V=4.3V，VG>VS，VGS>0，PMOS管关断，VCC输出电压为4.3V（5-0.7）。由于PMOS管关断，不论接不接电池，电池与负载电路断开，由USB电源供电。
在上述电源切换电路中，在USB供电时，VCC输出电压为4.3V（VUSB-VD1=5V-0.7V=4.3V），硅二极管存在0.7V的压降，会造成不必要的电压损耗，最好使用肖特基二极管，如SS12、SS14、SS34等。但如果没有二极管D1的话，PMOS管的G极和S极连接在一起，导致电路无法正常工作。

锂电池外接电源切换电路：https://strongerhuang.blog.csdn.net/article/details/104832112
锂电池外接电源切换电路仿真：https://blog.csdn.net/jwdeng1995/article/details/111403131
锂电池外接电源切换电路和软开关电路：https://blog.csdn.net/weixin_34221276/article/details/85711981
USB和锂电池供电电路设计：https://blog.csdn.net/qq_43521534/article/details/104184764

六、硬件开关机电路

一般来说，为了实现对系统的硬件电源切断，会使用直接的机械开关进行控制电源的通断。但是由于机械开关存在着体积较大（不利于小型化设计），且由于磨损导致寿命较短等缺点，按键开关越来越多的被使用，下面介绍一种比较简单的实现电路：
3.7V锂电池供电系统设计（含充电、保护、供电及电源切换电路器件选型和原理图）
关机状态：由于Q1被R1钳位到高电平，Q1截止，VCC不能向后级供电
开机：长按S2，D2导通，使Q1的G极拉低而导通，VCC通过Q1向后级VCC-SYS供电;VCC-SYS连接MCU电源，MCU通电复位后开始工作，通过控制连接到MCU上面I/O的Power-On，使其为高电平，此时Q2导通，使Q1的G极变为低电平，松开按键S2，只要Power-On引脚电平保持为高电平，系统供电正常供电;
关机流程：开机状态下，长按下S2，MCU通过D1，检测到低电平，累计一定时间后，判定为关机动作，将Power-ON引脚输出低电平，Q1截止，系统断电;