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[电源]原创设计:用常规元件做一个超低损耗的锂电1.5V稳压器 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 我要置顶 楼主  发表于: 2014-08-31


手里有不少杂七杂八的旧锂电,容量不大,内阻却不小。上不了什么大场面,只能用来改改燃气灶、电蚊拍或者万用表什么的。
最近,我又盯上了家里的石英钟,这就面临一个把锂电降到1.5V的问题。。。

普通三端稳压自身的电流损耗往往比石英钟工作电流还大,对这种常年不间断通电的情况,会严重影响电池的续航时间。
虽然串联二极管降压的方案可以避免这个问题,但定值降压有个明显的缺点,就是输出电压会跟随输入电压同步变化。锂电从满电(4.2V)到空电(3.3V)有0.9V的压降,这个幅度已远超石英钟所能接受的电压波动范围。所以当电池电压逐步降低时,即使电池容量还没放完,输出电压就已经先行不足了。

如果能把稳压电路的自身电流损耗降到可以忽略的水平,显然会是一个比较理想的解决方案。
手上没有合适的微功耗三端IC,决定自制一个。石英钟平均电流一般只有零点几mA,最大输出电流设计10mA已绰绰有余,得益于此,有望把稳压板自身的电流损耗控制在5uA以内!

1.  电路方案见下图,由普通的串联稳压变形而来。只不过常规设计都是以提高稳压性能为主,而这里稍微变换下思路,放弃了对稳压性能的追求,把降低自身的电流损耗作为主要设计目标。
ps:
后面有一些朋友表示采用开关稳压方案会比现在有更好的降压效率,在这里谈谈我的看法:
开关稳压器虽然可以明显改善压差效率,但同时自身的电流损耗至少要比目前方案高1~2个数量级。普通应用中这点电流当然可以忽略,但在这里,即使数十uA级别的电流损耗也是很难接受的。
如果有极低静态功耗的DCDC芯片倒是可以考虑,但对大多数人来说未必能搞到,那方案本身的实用性也就不高了。

2.  全部采用常规易得元件,方便业余自制:
R1可以390K~560K,取值越小电流损耗相应增大
R2在3M±20%左右均可
R3和R4的比值决定输出电压值,R3+R4总阻值在1M±20%左右为宜,总阻值越小电流损耗也会有所增大
C1用普通瓷片、贴片均可,0.1u是个很常见易得的规格
C2为4.7u~47u任意电解,无耐压要求
三极管只要是小功率NPN均可,不限型号,只希望β尽量大,最好不低于300。如果实在有困难,200左右也可以,只是输出电流能力稍有降低,但对石英钟来说,即使有5mA也足够了。

3.  这是专为手工刀刻板设计的PCB(注意视图方向为元件面),线路很简单,用洞洞板也可以做


4.  刻好的板子,尺寸约21*10mm


5.  焊接好的板子,待测试完毕后引出4根线套入热缩管内




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6.  虽说设计时放弃了对稳压性能的要求,但在这么低的工作电流下,稳压性能损失有多大,是否能满足基本的输出要求,还是有必要做一下实际的测试。
测试图就不拍了,太麻烦,而且20多张万用表屏幕看起来也眼花,还是直接整理成表格比较清楚。

空载特性:输出空载,在稳压板输入端串入uA表,测量不同输入电压下稳压板自身的空载电流消耗及输出电压变化。
负载特性:输出端挂150欧电阻作负载,测量不同输入电压下的输出电压变化,并与空载测试结果作对比。
测试结果见下表:
                  
因为锂电在3.7V~3.8V平台放电时间最长,根据实测结果,可以确认这块稳压板的平均电流损耗在5uA以内!
小电流放电的锂电容量释放非常缓慢,放电更充分,终止电压应比大电流放电稍高,建议在3.3V为宜
顺便提醒下,这种微功耗高阻板子,焊剂污染会造成额外的漏电损耗。我一开始测试时,因数次更换不同电阻作性能对比,板子有点脏,静态电流就明显偏大,用毛刷蘸酒精刷了一下才恢复正常。

7.  测试结论:
虽然追求低损耗牺牲了一些稳压性能,但实测结果还算令人满意,在电池电压低至3.3V时输出电压也不算很差。
至于自身损耗,以容量仅600mAh的垃圾电池计算,5uA的漏电已足以维持600*1000/5=12万小时=5000天≈14年!
考虑到锂电的自放电,这个数值其实没什么实际意义,只是表明这块稳压板的自身损耗对于续航时间的影响已经可以忽略!

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无关紧要的一些补充,有兴趣就看看:
8.  受Q3的be结温度系数影响,稳压板的输出电压在冬季(以室温10度计)会比夏季(以室温30度计)升高约0.1V,要求高的朋友可以在调整输出电压时根据当时室温预作一点修正(夏天时做的低一点,冬天就稍调高),以使输出电压尽可能在一个比较理想的范围内。
9.  为增加续航时间,可以多个电池并联使用,对容量和内阻全无要求,支持各种封装类型混搭。唯一需要注意的就是自放别太严重:否则不仅自己漏得快,还会拖累其它电池。
不过考虑到锂电池的自放因素,能续航1~2年也就差不多了,继续增加容量恐怕对续航的改善也有限。
10.  锂电池自带的保护板本身也会有一定的消耗电流,为避免多块保护板无谓的漏电损失,可以把电芯并联后共用一块保护板。
为防止过放电损伤电池,可以把保护板的保护电压改到3.3V,见我旧帖:http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=887979
11.  与石英钟的装配方式,可以考虑那种手机座充,比如曾经的德赛座充套装:把里面充电板换成这个稳压板(保留电池触点),这样每次换电池会很方便。
12.  对于工作电流较大的闹钟之类可参考下图,输出电流能力应该可以达到200mA左右,但同时自身的静态损耗也将升高到约30uA。
因电流和功耗稍大,下图中Q1使用插脚的TO-92封装为好。


[ 此帖被decent在2014-09-18 07:32重新编辑 ]
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直播呀。很好,省得总换电池,这个估计跟锂电池自放电差不多吧,不知道一块锂电池能坚持几年。
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技术性文章,阐述、分析得很好,实用性强,谢谢分享。
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我试过串联二极管和1117降压这两种方案,都是用不久电池就没电了,现在都已经改回用一次性电池了
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miqi328:直播呀。很好,省得总换电池,这个估计跟锂电池自放电差不多吧,不知道一块锂电池能坚持几年。 (2014-08-31 12:45) 回 miqi328 的帖子

根据实测结果,这个板的损耗远低于锂电的自放,可以忽略不计
混搭的话,多弄几块旧电池并联,续航时间基本就取决于电池的自放了
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只看该作者 7楼 发表于: 2014-08-31
非常好,一直想给石英钟加锂电的,终于见到好的方案了。
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ynqjzzh:我试过串联二极管和1117降压这两种方案,都是用不久电池就没电了,现在都已经改回用一次性电池了 (2014-08-31 13:16) 回 ynqjzzh 的帖子

1117静态电流约5mA,这已是石英钟耗电的好几倍了
与我这个方案相比,差了1000倍
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今天最后2M买个入场券占位先
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