智能家居中电池特性分析及设计方案

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：

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。下图3和图4分别为锂纽扣电池和干电池电池的恒流放电曲线：

图3 锂纽扣电池电压和电量关系

图4 干电池电压和电量关系

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。

下面图5以可视化门铃为例，TI 提供了完整的设计方案，所有技术资料均可以在TI 官网下载查询。

图5 可视化门铃参考设计

参考文献：

1. TPS63802 datasheet: https://www.ti.com/product/TPS63802

2. TI 可视化门铃参考设计：http://www.ti.com/solution/video-doorbell

3. Energizer technical information: https://data.energizer.com/battery-handbook-crosssections

4. 18650 锂电池电压和电量的关系http://www.cbea.com/ldc/201902/749081.html

5. 可视化门铃设计指南：http://www.ti.com/lit/wp/slyy158/slyy158.pdf?&ts=1588917435067

6. 干电池剩余电量检测研究：http://www.cqvip.com/qk/91137x/2016005/669000317.html