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[工仪] 锂电池升9V电路设计制作与测试[开源]

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发表于 2023-9-21 17:18:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 闻太师 于 2023-9-22 18:38 编辑

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。

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 楼主| 发表于 2023-9-22 18:09:09 | 显示全部楼层
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。




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 楼主| 发表于 2023-9-25 06:43:18 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
本帖最后由 闻太师 于 2023-9-25 10:59 编辑
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。
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 楼主| 发表于 2023-9-21 17:27:06 | 显示全部楼层
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。以为买到了假货,换个地方买片子,还是这样。后来用其它方案给同样的锂电池充电,妥妥的充到4.2V。这次用的ME4057,能充到4.17V,比TP4056略好一点。

看网上也有人说TP4056充不到4.2V,不知大家有没有遇到这种情况。
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发表于 2023-9-21 18:59:36 | 显示全部楼层
感觉还是两节锂电串联简单可靠。

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发表于 2023-9-21 19:20:40 | 显示全部楼层
最好的是3串磷酸铁锂,电压合适,寿命2000次,可惜现在没有了

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发表于 2023-9-22 09:29:17 | 显示全部楼层
comicfansh 发表于 2023-9-21 19:20
最好的是3串磷酸铁锂,电压合适,寿命2000次,可惜现在没有了

实际使用中铁锂也没有这么好,关键是一致性很成问题,专门挑一致的电池串联用一段时间就会发现无论容量还是内阻都拉开差距了。

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发表于 2023-9-22 09:30:10 | 显示全部楼层
xjmar 发表于 2023-9-21 18:59
感觉还是两节锂电串联简单可靠。

俺也是这样认为的。
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发表于 2023-9-22 09:39:45 | 显示全部楼层
做的真好,很实用。

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 楼主| 发表于 2023-9-22 09:46:19 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
中国花果山 发表于 2023-9-22 09:30
俺也是这样认为的。

两串,标称电压7.4V,充满8.4V,电量不足时会低到6V左右,有些老表会出问题。2001年买的一块数字表,电池电压一低,测量结果就会不准。

早说效果,还是3串好,只是充电麻烦,尺寸合适的电池也不好找。
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发表于 2023-9-22 10:18:35 | 显示全部楼层
学习到了,收藏记录

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发表于 2023-9-22 10:46:05 | 显示全部楼层
待机功耗不小啊

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发表于 2023-9-22 12:00:26 | 显示全部楼层
成品漂亮~~
SX1308待机功耗,真的跟数据手册说的那样就好。

TP4056和ME4057充电电流差得很多
300、400mAh锂电4054都可以胜任

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发表于 2023-9-22 14:25:18 | 显示全部楼层
两串,标称电压7.4V,充满8.4V,电量不足时会低到6V左右,有些老表会出问题 ------ 我也是两串用的,勤充电就行了,没有干扰,使用方便!

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发表于 2023-9-22 14:38:55 | 显示全部楼层
我想找个方案用单节18650给9V减速电机供电做个螺丝刀  也搜到了个视频 确实也有人提出这个问题待机电流太大 除非加机械开关来完全断电, 要不直接待机几天就没了

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发表于 2023-9-22 16:46:13 | 显示全部楼层
楼主这么好的板子,不打算开源一下么?

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 楼主| 发表于 2023-9-22 17:42:29 | 显示全部楼层
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。


如图1所示,负载断开时,Q1 基极被R10拉高至与其射极同样的电位,Q1截止。SX1308 4脚EN被R9拉低,处于Shutdown状态。此时本模块图出端的电压为锂电池电压,减去D1的压降。
负载接通时,锂电池正极经L1、D1、R10、L2、负载,对地形成回路,R10两端电压足以使Q1发射结导通,Q1饱和,其集电极对地为高电平,SX1308 4脚EN高电平,芯片使能工作。SX1308输出电压为0.6*(1+300/20)=9.6v,再减去Q1发射结压降,负载得到8.9~9V电压。







SX1308手册上标出的Shutdown状态电流为最大1uA。本人实测为十几uA,当然这里要包括Q1的Iceo。不过8550的Iceo应该小于1uA,在这里可以忽略不计。即SX1308 Shutdown电流比标称最大值大10倍以上。

SX1308手册(图3)里提到,轻负载时会自动切换到PFM模式(以降低功耗),没说多大负载电流算轻负载。不过从图2大致可以看出,不开关(我的理解是SX1308内部停振)时为100~200uA,开关时为1.6~2.2mA。按本人在1楼的测试情况看,空载为100多uA,与手册相符;带载时为3~4mA,是手册中的标称值的2~3倍。

SX1308这款芯片这几年比较流行,一款纯国产的芯片,某宝上竟然有“散新”、“国产”、“台产”、“原装”之分,价格也从0.21至1元多不等。上边提到的参数与手册有出入,是厂家虚标了参数,还是本人买到了山寨货,一时难以说清。





最后讨论一下待机型负载的问题。这里要明确一下机械开关关机和待机之间的关系。有人说只有机械开关关机才是真关机,否则就是低功耗待机。严格来说是不对的,机械开关关机一定是真关机,微动开关+电子电路,可以是真关机,也可以是低功耗待机。需要具体情况具体分析,不能一概而论。

前面提到了,测试表明SX1308在带几十uA轻负载时的电流为3~4mA,如果是给待机型负载供电,1200mA时的锂电池,即使不开机,十几天也就耗光了,不适用。

能否把本方案改进一下,当检测到负载电流较低,比如低于几十微安,就把SX1308 Disable呢?
答案是不行。一旦这样改了,负载就没办法再次开机了。
要想降低轻负载时的功耗,最有效的办法就是换方案,这已经超出了本帖的范围。

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发表于 2023-9-22 17:44:52 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
我的也是升压方案的,用三极管做的开关,表关了,升压芯片也就断电了。

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发表于 2023-9-22 20:42:55 | 显示全部楼层
hbdj1234 发表于 2023-9-22 17:44
我的也是升压方案的,用三极管做的开关,表关了,升压芯片也就断电了。

贴出来学习学习
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发表于 2023-9-22 21:14:57 | 显示全部楼层
类似于sx1308之类的6脚升压芯片有很多,以前好多的升压芯片没有利用第4脚使能脚对待机电流进行控制,只要进行了控制,待机电流就会小很多。

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发表于 2023-9-22 23:31:24 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
有点意思,我的福禄克万用表一次就要换掉六个金霸王,费钱的很,什么时候也改用一下锂电池

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