拆解基于TL431芯片的电池电量显示板---学习和请教各位大佬

执剑人-叶 · 发表于 2020-5-19 19:08:32

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最近产品需要新改动：带电池的产品需要得知出厂时电池电量情况。因为有案例，卖出去的产品客户一通电小电机并没有动，发现是电池没电了，影响用户体验和公司形象（心情不好的客户就投诉了呀）。我认为问题根源就在于，一是电池厂商并不会充满电卖货，因为满电状态在运输过程中是危险的怕发生爆炸；
二是电池在仓库会存放一段时间，时间长了就没电了；三是出货时配送“久置”的电池，且品管缺少检测流程，出厂后就可能会收到客户的“问候”了。扯了这么多，第三点才是重点:lol:。
所以如果能把检测电量的装置整合到产品上，对品管对客户都是一种方便。
下面开始研究TL431典型应用电路。

从T宝买了小物件。实物和原理图如下：

原理图中不是很明白为什么LED要这样并，问问各位大佬，可不可以直接LED串联4.7K电阻接入431_cathnode？有什么坏处，是怕亮度不一吗？大家一起发表下意见哈
实测红色LED两端电压是1.8V，蓝色LED两端电压是2.6V。
LED发光最小工作电流0.1mA，这里串个4.7K电阻在8.4V情况下LED有1.78mA应该没问题吧？

其他心得。
一、可以看到这个板子用的是5个TL431。网上大多数是1个TL431+LM324。
A>对比了一下成本：（参考立创商城批量价）
5个TL431的成本：0.08X5（431）+0.06X5（LED）+0.005X20（0603/1%电阻）+0.015X1（1206电阻）+0.19X1（轻触按键）=1.005元
1个TL431+LM324成本：0.08+0.26（4通道LM324）+其他。
成本差不多，5个431版单从材料方面贵了1.5毛左右。
B>布板方面，5个431好看点。

二、网上还有在电源进来时加了MOS管的，应该是为了减小待机功耗。毕竟以上原理图待机也有1mA左右耗电。所以这个MOS管在低功耗应用下可以加。
电池电量显示板加MOS.png

三、这次学习了TL431的不少知识。看规格书+网友的理解，大概知道了这颗IC的好处。比稳压管精度高，由于被市场大量使用价格也还行，也说明其可靠性符合市场需求，
比较少看到说431故障的文章，也可能是我经验不足还没看到吧。其他优点网友也可以说说看。

我一般看规格书里的VCE=36V，也有的写VKA=7V，那就取最小值7V，使用时注意下。Vref=2.5V的min和max以得知其精度，ZKA=0.5Ω，IKA=0.1~100mA
温度选-20~85摄氏度差不多了，防静电HBM±2000V，CDM±1000V。结温，3pin的最小，这就是SOT23-3封装最为常用的原因？

因为后面开关电源也会用到431，所以还在学习中...

最后此文权当做个笔记而已，或许一段时间后会翻回看，哦，原来这些疑问我已经有答案了！

再次希望网友慷慨解答【原理图中不是很明白为什么LED要这样并，问问各位大佬，可不可以直接LED串联4.7K电阻接入431_cathnode？有什么坏处，是怕亮度不一吗？】，谢谢。

aacyxjz · 发表于 2020-5-19 21:05:46

我认为是用来维持431基础电流的

执剑人-叶 · 发表于 2020-5-19 21:50:44

aacyxjz 发表于 2020-5-19 21:05
我认为是用来维持431基础电流的

我觉得你说得有道理。忘记看了431还有个指标IKAmin值是0.45~1.0mA。

执剑人-叶 · 发表于 2020-5-19 22:46:20

多谢字母哥提醒，吃个饭回来发现我对TL431还是不了解，于是继续看datasheet。

我漏掉了三个重要指标：一是IKAmin=0.45~1.0mA，二是VKAmax=36V（所以如果想测48V的得串联两个18V稳压管先降个36V），三是三极管饱和时“K”脚维持在1.9~2.0V左右（不同厂商不一样），第三点想不明白为什么会维持在1.9V？三极管完全导通其ZKA=0.5Ω，集电极怎么会是1.9V。

现在实测各点电压：以红LED为例，LED正极8.4V，负极6.58V，则压降就是8.4-6.58=1.82V。再看TL431的K极是1.86V。那么R18的压降是6.58-1.86=4.72V，R18的电流是4.72/3K=1.57mA，R17电流就是1.82V/10K=0.182mA，则红LED的电流为1.57mA-0.182mA=1.388mA，LED在此电流下可以正常发光。

从设计角度看：

如果LED是串联3K电阻到431的K极。那么，VCC=8.4V，LED压降还是1.8V，K极还是稳在1.9V左右，则3K压降=8.4-1.8-1.9=4.7V，电流是4.7V/3K=1.57mA。乍一看也没有问题。
而且只有一个计算量。

再回来看LED并电阻的接法。首先设置LED电流1.5mA左右（正常发光所需电流），那么根据IKA=1.5mA+和LED并联的电阻的电流，这里IKA也设置成1.7mA左右好了（原则是大于IKAmin值），则和LED并联的电阻的电流=0.2mA，所以阻值放1.8V/0.2mA=9K，取E96的10K/1%也无妨。下面那个电阻阻值=[VCC-1.8V（LED）-1.9（K极）]/1.7mA，若VCC=8.4V，电阻=2.76K，取3K也行，待会回来验算10K和3K组合的各节点电压。
这里要计算两个电阻阻值。

好像串联设计更便捷。迷茫了。

可能问题关键在VKA<Vref时，TL431怎么工作？想明白这里可能就通了。

oaz123 · 发表于 2020-5-19 23:47:00

现在都有分段显示芯片，电路外围简单，比如充电宝里面就是使用最广泛，用431设计外围元件太多

fair2017 · 发表于 2020-5-20 08:26:04

本帖最后由 fair2017 于 2020-5-20 08:43 编辑

“如果LED是串联3K电阻到431的K极。那么，VCC=8.4V，LED压降还是1.8V，K极还是稳在1.9V左右，则3K压降=8.4-1.8-1.9=4.7V，电流是4.7V/3K=1.57mA。”
这里貌似有问题吧，8.4-1-8-1.9=4.7，这个电压应该是R17和R18的压降吧。这时LED不能工作了吧。

以上理解错误了，原来楼主是说直接串一个3K电阻。

执剑人-叶 · 发表于 2020-5-20 11:58:31

oaz123 发表于 2020-5-19 23:47
现在都有分段显示芯片，电路外围简单，比如充电宝里面就是使用最广泛，用431设计外围元件太多 ...

谢谢您的建议。我去查了很久才敢回复。不知道您说的是不是那种单节电池电量显示芯片？比如华之美的HM1160,

可惜这个Vin范围最大才到6.5V，我的电池组是8.4V和12.6V都有。可否请您说下分段显示IC型号？

还有一些IC是boost升压+LED显示的，一般用ADC采样Vbat，IIC跟MCU通信，然后MCU编码驱动LED。
这样的好处是MCU实时监测电池电压，准确度好，LED显示对用户直观。不过成本高基本不考虑了:lol: