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智果芯 果果小师弟 2022-07-15

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摘要:这两天小师妹要做一个小项目,需要给自己小板子设计一个电源管理电路。于是我就给她远程讲解一遍,但是她还是不太明白。非要当面给她讲,我说可以啊!讲可以,但是你必须给咱家的粉丝打个招呼哟。

小师妹的需求!

需求:板子上有一个MCU和一个传感器还有一个无线模块,它们的供电都是3.3V,要给这个小板子上一块电池,电池必须要能充电。

这个需求能简单啊!就是一个电源管理电路。里面肯定要用到电源管理芯片和MOS管,所以要搞懂这个电路,先来了解一下MOS和电源管理芯片吧!

1、MOS管

MOS管,一般又叫做开关管,是一种电压控制器件。三极管也叫作开关管,但是三极管是电流控制器件。

P-MOS管导通和截止的条件是:当P-MOS管的G极与S极中间的电压差低于阈值时,P-MOS管的S极和D极就会导通;反之,P-MOS管的S极和D极就会截止。

根据P-MOS管的工作原理是:当STM32的GPIO口输出低电平时,P-MOS管GS电压差为VGS=-3.3V,此时,P-MOS管处于导通状态。当STM32的GPIO口输出高电平时,P-MOS管GS电压差为VGS=0V,此时,P-MOS管处于截止状态。

2、锂电池充电电路

锂电池充电管理电路采用的是“单节锂电池充放电管理”的芯片TC4056A,它是一款完整的单节锂电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器,这款芯片的主要特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚,可编程充电电流可达1000mA。

锂电池的充电管理电路如下图

锂电池的充电管理电路

上图中,D2主要是用来指示锂电池的充电状态。插入USB时,在TC4056A的作用下,开始给锂电池充电,LED常亮,当锂电池充满时,LED常灭。R2是用来限定TC4056A的最大充电电流,根据公式:,其中, 在预充电阶段时的电压为0.1V,此时电流 =(0.1/1200)*1200=0.1A; 在恒流充电阶段时的电压为1V,此时电流 =(1/1200)*1200=1A。

电池的充放电就像孩子喝母乳一样

  • 1、如果一直让孩子喝,家长不加以控制,那么这个奶可能会被喝光,类似电池过放;
  • 2、如果家长一直不给孩子喝奶,这个奶就会积攒越来越多,类似电池过充;
  • 3、如果孩子喝奶喝的急,容易呛奶,类似电池的过电流保护;

对于锂电池,如果不能够科学喂奶、喝奶,除了可能降低电池使用寿命,有时可能会造成电池爆燃、爆炸等危险场景。那么如何控制这种情况发生呢?

通常情况下,在锂电池内部都会有一个专用的保护PCB板,与电池单元封装在一起。在它的保护下,可以控制锂电池的输出电压在一个安全电压区间,即电池的充放电终止电压和截止电压

如果电池的工作电压超出安全范围,就有可能在电池内部发生不可逆转的伤害,导致电池衰减,体现在电池的内阻增加,容量下降。

△带有电池保护板的锂电池

锂电池自带保护板,所以板子上不需要再增加充电保护电路。

3、锂电池输出开关

在锂电池的输出端,使用一个P-MOS管用来作为锂电池输出的开关。

△锂电池充放电电路

1、当外部USB插入时,MOS管的G极和S极之间的电压差等于SS34两端的电压,只有零点几伏,不满足MOS管的D极和S极导通的条件,所以此时锂电池仅处于充电状态,并未放电,后极电路的电源完全由外部USB提供,也就是说,外部USB在给锂电池充电的同时,也在为后极电路供电;

2、当外部USB拔掉时,MOS管的G极在下拉电阻R9的作用下,被拉低到了GND,此时MOS管的S极的电压也几乎为GND电压,MOS管的D极和S极是处于未导通状态的,但是,由于MOS管内部寄生二极管的作用,导致了MOS管的D极和S极之间直接形成了通路,这样又使得MOS管的S极的电压接近了电池的输入电压,而其G极在下拉电阻的作用下被拉低到了GND处电压,于是G极和S极的电压差又产生了,而且这个电压差高于MOS管的G极阈值,从而又导致MOS管的D极和S极导通了。图中P3设计用一个短接帽连起来的,在测回路电流的时候提供了方便。

4、降压电路

板子需要锂电池供电,而标称为3.7V的锂电池的电压范围实际一般在3.0V-4.2V,而对绝大部分常用的LDO或者DC-DC电源芯片来说,如果需要得到稳定的3.3V输出电压,那么输入电压必须要比3.3V高出至少100mV以上,这样的话,锂电池电压低于3.4V的时候就不能得到稳定的3.3V电压了,可能会造成某些元器件不能正常工作。

这里采用了TPS7333线性稳压芯片,将3.4V-4.2V电压稳压至3.3V供单片机和传感器使用。

降压电路

把这些讲完,小师妹开心的笑了,说了句:师哥,你真棒!

哈哈,被人夸了,安排!


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