锂电池升9V电路设计制作与测试[开源]

闻太师

盘点元件库存的时候发现有块软包1200mAh锂电池已经沉睡好几年了，这可是花大价钱买的中顺芯，总不用会坏掉的。看了一下尺寸，刚好可以塞到9V方块电池壳子里，那就做一个玩玩。

锂电池转9V的方案比较多，先简单比较一下：
1. 单节锂电池升9V：优点是充电容易、电压足。缺点是有电磁干扰，用电设备假关机时比较耗电。
2. 两节锂电池串联：优点是没有电磁干扰。缺点是充电相对麻烦，用在某些设备上可能电压不足。
3. 三节锂电池串联，线性降压到9V：优点是没有电磁干扰，电压足。缺点是充电麻烦。

本着将就材料的原则，选择方案1，同时也亲自体验一下其缺点到底有多明显。
DIY常用的3.7升9V的方案有MC34063和SX1308，当然还有一些分立元件方案，但体积大暂不考虑。MC34063比较老、开关频率低，不容做把体积做小。SX1308开关频率高，有利于小型化。因此选择SX1308。充电本想用电普遍的TP4056，结果发现元件包里有20片ME4057，号称与TP4056 Pin to Pin兼容。这应该某年某月跟厂家申请的样片，完全没印象了。就用它了。

因为担心电磁干扰，所以设计电路的时候做了两点考虑：
1. 增加一级LC滤波，经验表明可以显著减小电压波纹。
2. PCB上留下屏蔽罩的位置，有利于减小电磁辐射。

电路如图1所示，电路比较经典，为了在万用表关机时减小待机电流，使用了8550等组成的负载检测电路，其原理一看图便知，这里不再赘述。




1. 板子到手后，跳过充电部分，先焊升压核心部分。附加的LC滤波、负载检测等暂不焊。焊好通电，输出8.95V，符合预期。
断开负载，测一下SX1308空载时的电流消耗，输入3.3V时为165uA，输入4.2V时为146uA。这里顺便说一句，某宝上卖的SX1308 3.7升9V模块没有负载检测电路，看来100多uA的待机电路也还能凑合。

2. 继续焊好负载检测电路，不接负载时SX1308被Disable掉，测得其电流消耗为13uA。之前看有网友说SX1308 Disable的情况下电流只有1uA多，芯片批次不同？先不考虑这个了。

3. 继续焊好ME4057，再测SX1308被Disable时的总体电流消耗，跟没焊ME4057时一样。



4. 手册上说，轻负载时SX1308转切换到PFM模式，减少电流消耗。测试一下：
（1）22kΩ负载，即电流409uA，整体约4mA
（2）100kΩ负载，即电流90uA，整体电流3mA
（3）200kΩ负载，即电流45uA，整体电流2.9mA
（4）510kΩ负载，即电流18uA，整体电流2.8mA
可见轻负载时的电流消耗比较大，本方案不太适合假关机的设备。

把升压模块装入万用表UT61E，比较其与用9V叠层电池时的表现，未发现明显差异。

网上有朋友说锂电升9V的方案会干扰收音机，这里也简单测试一下。手里只有如图所示的小收音机，FM台比较多，AM只有一个台。



测试方法，UT61E装普通9V叠层电池，开机，放在离收音机约40厘米处。FM能搜到14个台，其中3个台信号弱。AM一个台。
把升压模块装入UT61E，开机，还是放在原来位置。FM能搜到11个台，AM一个台。少搜到3个台，难到真有干扰？把9V叠层电池装入UT61E，复测。结果原来信号弱的那3个台还是搜不到。
可见本升压模块没有对收音机造成明显干扰。

简单总结一下：
换用本升压方案后，UT61E工作正常，未发现明显问题。未发现对收音机明显干扰。附加LC滤波和屏蔽罩暂时用不到了。
用电设备假关机时电流消耗达到了3~4mA量级，本方案不太适合这类设备。

就说这么多吧，希望对看客有点帮助。

闻太师

板子开源，需要的来拿。建议把下图中标注的屏蔽罩焊盘和锂电池接线焊盘自行改一下。

另外，画板时用的是2P MicroUSB座。需要type-C座的请自行修改，不改用2P type-C座刮一下铜皮也行。

闻太师

xixia001 发表于 2023-9-25 04:58
升压电路不工作时，R7 R8跟电源构成的回路是通的，算一下，电流大概是（3.7-0.4）/32=103uA，
要减小待机电 ...

不好意思，图上标错了。R7、R8图上标的分别是30k、2k，实际用的是300k、20k。
算下来这两个电阻消耗的电流10uA多点，与实测SX1308 Disable状态的十几uA电流相符。
这也解释了手册标最多1uA，实测十几uA。感谢提醒。

zzzzz121

闻太师 发表于 2023-9-21 17:27
说一说TP4056这款芯片，之前发现其最多只能把锂电池充到4.13V左右，不管是自己画的板还是买的模块都是这样 ...

有遇到过，也在不同的店买过3次都是充到4.0几或4.1就转灯了，还特别烫。

lijielzj

肯定有无负载后低功耗启动电路设计，也就是万用表不开机时待机。。。。。。

xxyy987

有没有大佬知道用的什么方案，待机功耗27uA

xxyy987

这是一个9V电池的板，待机27uA，有没有大佬知道用的是什么方案？

jxcnj

闻太师 发表于 2023-10-21 16:53
4.27有点恐怖，保护板没进保护状态？电池也没爆？

拆出来4.27，应该是之前没有保护，4.27之后保护了，不然应该还高，不过电池目前没有问题

闻太师

hu2011q 发表于 2023-11-25 09:00
感觉板子装不下6F22的9V电池壳子。

比对着6f22尺寸画的板，肯定装得进去

闻太师

hu2011q 发表于 2023-11-25 09:00
感觉板子装不下6F22的9V电池壳子。

比对着6f22尺寸画的板，肯定装得进去

hu2011q

感觉板子装不下6F22的9V电池壳子。

闻太师

xzgsw1 发表于 2023-11-24 13:08
为什么要把C7，C8，C9这3个不同容量的电容并联用，而不直接用一个。

本来打算用0.1uf//22uf，手里只有10uf，所以用两个10uf并联代替22uf。
那个0.1uf是为了让高频信号更好滤波。

实际的电容，可以近似等效为电阻ESR、电感ESL、电容C的串联。电感的感抗随频率增加，电容的容抗随频率增加减小，二者相位相差180度，所以每个电容都存在一个谐振频率，此频率下容抗感抗相互抵消，电容表现为电阻ESR。低于谐振频率时，感抗小于容抗，电容表现为电阻与电容串联。高于谐振频率时，电容表现为电感与电阻串联。通常容量大的电容，谐振频率低。另外，容量大的电容，高频时ESR也大。所以滤波电容通常用一个小电容并联一个大电容，以更好滤波。

xzgsw1

为什么要把C7，C8，C9这3个不同容量的电容并联用，而不直接用一个。

闻太师

亚历山大 发表于 2023-11-24 11:29
这个干扰的话应该是干扰中波

开关频率1Mhz左右，其基波正好落在中波525-1605kHz范围内，所以中波应该有干扰。谐波的范围更广。LM2576、LM2596开关频率分别是50khz、150kHz，对FM频段有明显干扰。

补充内容 (2023-12-7 20:46):
基波落在中波频段，谐波都在中波频段之外。所以中波只能有一个频点有干扰，调频可能有多个频点有干扰。调频波段是一百次左右谐波，能量很小。

补充内容 (2023-12-7 20:46):
基波落在中波频段，谐波都在中波频段之外。所以中波只能有一个频点有干扰，调频可能有多个频点有干扰。调频波段是一百次左右谐波，能量很小。

补充内容 (2023-12-7 20:50):
理论上干扰最明显的应该是短波，不过当下的电磁环境，短波本来效果也不咋地。

wine5

这么好的帖子，建议加精

亚历山大

这个干扰的话应该是干扰中波

kmper

我也想找个待机电流小的方案，给报警器改电源，现在改的升压模块也是3个月就要充电，太麻烦了，想一次充电管一年

闻太师

微醉 发表于 2023-11-22 13:22
　　今天认真翻看了楼主的这个帖子和所有坛友回复，楼主是真正的高人，理论扎实、实践经验也丰富。要是早 ...

“改进当检测到负载电流较低，比如低于几十微安，就把SX1308 Disable”

我的意思是这样做支持待机型设备不一定行（而不是一定不行），原因有2：
1. 如您所说，SX1308 Disable掉了，电源会通过电感和肖特基二极管加到负载上，4.2V的电池去掉肖特基的压降估计4V左右，如果电池电量低负载电压甚至不到3V。额定电压9V的设备，3V低得离谱，能不能正常工作（或者说能不能正常待机）不好说。也许这个设备能行，也许那个设备不行，没有普适性。
2. SX1308 EN管脚的控制信号源自负载（用电设备）电流，而负载的电流与供电电压有关，Disable前后电压变化达3倍之多，电流变化可能也有3倍之多。再考虑不同设备的工作电流差别很大，难以做出普适性的电路，保证所有设备都能正常开机/待机之间切换。
总之，这个“不一定行”是站在普适的角度说的，针对特定设备修改电路参数，应该是可行的。


如我有帖子里所说，SX1308本身的静态电流（Enable情况下），达到3~4mA，这是个比较高的值。后来我又试了一下传说中静态电流比较低的芯片，比如SGM6601、TPS61040，大概300~300uA的样子。查了下欧美大厂的产品列表，还有静态电流更低的芯片，不过都是固定输出5V的。我想这应该是厂商认为那是典型低功耗应用，市场大。更高电压的市场小，他们不愿意做。


多扯两句，把输出5V的低功耗芯片改成可调输出的，对半导体大厂来说是很Easy的事，为啥不愿意做呢？
我没找到权威的说法，个人瞎猜应该是跟芯片的制程工艺有关。
MOS管栅极有电容，BJT管有结电容，所以晶体管导通/截止两个状态之间的切换需要对这个电容充放电，导致开关不能瞬间完成，而是存在一个半开半关的过渡区间。这个区间晶体管相当于电阻，电流流过会有损耗，频率越高损耗越大。CPU频率越高越费电就是这个原因。要想降代这个损耗，需要改进芯片工艺优化晶体管结构，和/或降低工作电压。开关电源芯片虽然不同与CPU，基本原理应该大同小异。低静态电流（低功耗）芯片的制造工艺要求更高，成本自然就高，市场小的应用他们不愿意做也就可以理解了。


以上内容纯属胡说八道，切勿盲目相信。

wine5

微醉 发表于 2023-11-22 13:22
　　今天认真翻看了楼主的这个帖子和所有坛友回复，楼主是真正的高人，理论扎实、实践经验也丰富。要是早 ...

楼主是矿坛大佬，那里有很多理论扎实的人

微醉

闻太师 发表于 2023-9-22 17:42
为了让电路基础不太好的同学能更好理解本电路，简单介绍一下负载检测电路原理。

　　今天认真翻看了楼主的这个帖子和所有坛友回复，楼主是真正的高人，理论扎实、实践经验也丰富。要是早点细看你的帖子我改造时就不用测试这测试那了，直接加三极管换电阻就成了。
　　另外，该芯片经实测升压关闭时待机电流的确是小于1uA的，但这只是指芯片自身的电流，楼主所测的是包含了外围电路的耗散电流，主要是采样电阻和电容的漏电流。所以我换了20M的上拉电阻关闭状态真的就整机小于1uA了。而且加大采样电阻的意义不仅仅是为了减小关闭升压时的静态电流，在9V升压输出时，同样也减少了采样电阻的消耗，对提高效率略有影响。
　　再有，“改进当检测到负载电流较低，比如低于几十微安，就把SX1308 Disable”的问题，楼主认为是不行的，我觉得有这可能，因为这类电流开关型升压电路在升压关闭时输出端仍会通过电感和续流二极管与电流形成通路而输出略低于电源的电压，在电源为锂电池时这个电压基本都在3Ｖ以上，这个电压对一些负载检测电路已是有效电压了，我的ＤＴ9208万用表延时自动关断电路就仍能起作用，只是延时电容断电时的充电电压较低，所以延时变短了。同理，如果一些设备负载检测电路阀值较低，还是有可能改造利用的。

闻太师

javahou 发表于 2023-10-20 20:57
待机功耗太大了, 试试我设计的这款,待机功耗40uA, 纹波是70mV, 最大输出0.1A, 最大纹波110mV.我都用在万用 ...

SGM6601的方案我也弄过，实测空载时待机电流33~38uA，带22KΩ负载（即230uA负载）总电流594uA，计算得出轻负载时的净静态电流约370uA。这个数值要比SX1308好一些，要是不Disable的话还是有点大。

闻太师

jxcnj 发表于 2023-10-21 16:43
我买的成品的最高可以充到4.27V

4.27有点恐怖，保护板没进保护状态？电池也没爆？