智能家居中电池特性分析及设计方案分享
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作者：betty guo
现在，智能楼宇自动化中加入了越来越多的智能传感器，比如智能猫眼，门铃，便携式摄像头以及烟感等。这些产品通常采用电池供电，如常见的18650锂电池，aa 干电池。那么在电池供电的产品中，如何设计合理的供电方案是延长电池使用时间是重点问题。
文章会首先会分析常用电池的特性分析，其次以可视化门铃为例提供技术设计方案。
1. 不同电池特性分析
在智能家居产品中，常用的电池类型主要是干电池和锂电池。锂电池又分为18650 圆柱型电池，聚合物锂电池，镍氢电池等。由于电池电压会随着电池使用而降低，对后级电路设计提出了要求。下面是这三种锂电池分别的特性：
电池类型18650圆柱型电池聚合物锂电池镍氢电池
特性-能量密度高。
-工作电压平台高。
-循环寿命长。
-自放电小- 重量亲，体积薄，容量密度高
- 充放电特性好
- 无记忆效应
-成本低
- 快充特性好
- 寿命长，无记忆效应
- 工作温度范围广
无论是哪种类型的锂电池，其放电特性和电量曲线基本一致。下图1是锂电池不同放电率下电压和电量的关系曲线。
图1 锂电池不同放电率电压和电量关系
从图1中可以看出不同的放电率，电池电压和电量的关系是不同的，同时也和工作温度相关。因此，不能针对电池的电压来判断电池是否有电量。通常情况下，锂电池电压掉到3v时，电池基本没有剩余电量，此时即使通过升压芯片，也无法提供足够的能量供负载使用。
同时，下图2展示了在不同负载情况下，电池电压和电量的关系。在不同的负载情况下，相同的电池电压， 剩余电池电量也会产生很大的差距。soc （state of charge）为锂电池中可用电能的状态，通常以百分比表示。相对荷电状态的范围是0%-100%，电池完全充电时是100%，完全放电时是0%。负载电流又分为脉冲电流和持续电流，在脉冲电流和持续电流放电情况下，电池的放电曲线也会不同，比如mcu， sub-1g类负载在启动时都会产生脉冲电流，对于led等为持续电流。
图2 不同负载下电池电压和电量的关系
另一类应用广泛的电池为纽扣电池和干电池。常见的碱性纽扣电池标称电压为1.5v，锂纽扣电池为3v.干电池的工作电压为0.7v~1.5v，当电池放电到电压低于0.7v时将不能正常工作。同时，其恒流放电曲线也和外界环境因素相关。
从上面两张图可以看出，以3v系统为例，针对纽扣电池，当电池电压下降到2.5v时，电池依然留有剩余电量可以供系统使用。但由于电池电压太低，无法提供足够的电压，为了进一步延长电池使用时间，需要将2.5v电压升压到满足系统工作水平。
2. 电源设计应用举例
考虑到现在的电池供电智能家居产品中，通常会采用无线方式进行数据的传输，比如wifi 蓝牙等。如前文所述，当通信设备瞬间启动时，会有一个较大的启动电流 （通常1a~2a） 瞬间将电池电压拉低。当电池电压过低时，导致后面的电源芯片进入uvlo，系统停止工作。结合以上分析电池电压和电量的应用，在进行电源设计时，可以使用buck-boost 芯片来满足常用的应用场合。
结合到电池低功耗的需求，需要静态电流较低的ic，通常为na /ua级别。结合到智能家居中wifi/ble 包括speaker 和led 的使用，会需要较大的工作电流，一般为1a~2a 左右。低iq 的 2a输出电流的buck-boost 芯片tps63802就非常适用于这一类应用。
tps63802 是一款静态电流11ua 2a输出的buck-boost 芯片，输入电压范围从1.3v~5.5v， 能够覆盖大部分智能家居产品的应用，帮助用户进一步减小设计体积。根据ti 的参考设计，整体设计尺寸可以降低至~28mm. 详细信息，可以参考ti 官网，tps63802 技术资料。
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文章会首先会分析常用电池的特性分析，其次以可视化门铃为例提供技术设计方案。
1. 不同电池特性分析
在智能家居产品中，常用的电池类型主要是干电池和锂电池。锂电池又分为18650 圆柱型电池，聚合物锂电池，镍氢电池等。由于电池电压会随着电池使用而降低，对后级电路设计提出了要求。下面是这三种锂电池分别的特性：
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图1 锂电池不同放电率电压和电量关系
从图1中可以看出不同的放电率，电池电压和电量的关系是不同的，同时也和工作温度相关。因此，不能针对电池的电压来判断电池是否有电量。通常情况下，锂电池电压掉到3v时，电池基本没有剩余电量，此时即使通过升压芯片，也无法提供足够的能量供负载使用。
同时，下图2展示了在不同负载情况下，电池电压和电量的关系。在不同的负载情况下，相同的电池电压， 剩余电池电量也会产生很大的差距。soc （state of charge）为锂电池中可用电能的状态，通常以百分比表示。相对荷电状态的范围是0%-100%，电池完全充电时是100%，完全放电时是0%。负载电流又分为脉冲电流和持续电流，在脉冲电流和持续电流放电情况下，电池的放电曲线也会不同，比如mcu， sub-1g类负载在启动时都会产生脉冲电流，对于led等为持续电流。
图2 不同负载下电池电压和电量的关系
另一类应用广泛的电池为纽扣电池和干电池。常见的碱性纽扣电池标称电压为1.5v，锂纽扣电池为3v.干电池的工作电压为0.7v~1.5v，当电池放电到电压低于0.7v时将不能正常工作。同时，其恒流放电曲线也和外界环境因素相关。
从上面两张图可以看出，以3v系统为例，针对纽扣电池，当电池电压下降到2.5v时，电池依然留有剩余电量可以供系统使用。但由于电池电压太低，无法提供足够的电压，为了进一步延长电池使用时间，需要将2.5v电压升压到满足系统工作水平。
2. 电源设计应用举例
考虑到现在的电池供电智能家居产品中，通常会采用无线方式进行数据的传输，比如wifi 蓝牙等。如前文所述，当通信设备瞬间启动时，会有一个较大的启动电流 （通常1a~2a） 瞬间将电池电压拉低。当电池电压过低时，导致后面的电源芯片进入uvlo，系统停止工作。结合以上分析电池电压和电量的应用，在进行电源设计时，可以使用buck-boost 芯片来满足常用的应用场合。
结合到电池低功耗的需求，需要静态电流较低的ic，通常为na /ua级别。结合到智能家居中wifi/ble 包括speaker 和led 的使用，会需要较大的工作电流，一般为1a~2a 左右。低iq 的 2a输出电流的buck-boost 芯片tps63802就非常适用于这一类应用。
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