硬学｜锂电池供电方案

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上周硬学问题答案：

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上周硬学链接：硬学|滤波—理解旁路电容的作用与PCB设计要点

问题1：

文中提到，在PCB的设计中，若电源距离负载比较远，当负载电流瞬变时，路径上的感性是导致负载电压波动的一个原因。那么如果在PCB设计中，将电源和负载之间的距离控制得很近，是否能完全解决负载电压波动的问题？

回答： 完全依靠电源本身，只能保证频率比较低的负载电流波动所需要的能量补偿，这和电源的环路响应速度有关系。一般电源的环路响应速度在100kHz以内，因此在这个频段之内的负载变化可以依靠电源，但更高频的，电源没有能力做出快速补偿。

问题2：

文中提到，当负载电流瞬变时，能量传输路径上的感性是导致负载电压波动的原因之一。那么，为什么在有的设计中，我们会在能量传输路径上，增加一个电感，以进一步降低负载电压的波动？当增加了这样一个电感，在设计中需要特别注意什么问题？

回答： LC滤波从不同层面看，有不同的作用机制。在能量补偿这个层面，电感对负载的高频能量需求进行了隔离，基于电感的高阻抗，使得这些高频能量需求不能从远方的电源得到满足，这也解决了长链路感性的问题。那么这些能量需求从哪里满足？这就需要依靠电感之后，靠近负载的电容予以帮助。所以在电感之后，距离负载芯片比较近，必须有足够多的电容做本地能量储存源头。

本周公开课：锂电池供电方案

锂电池因具有绿色环保，重量轻，无记忆效应，自放电率低，高低温适应性强等诸多优点，而广泛应用于各种电子产品中。

这里介绍一种基于TP4056的单节锂电池的充电方案 ，并通过简单外围电路 实现过充过放保护，电源自动切换和硬件开关机。

序号 001 TP4056充电方案

图1

图1中4脚为电源输入引脚，8脚为使能引脚，高电平有效（因此直接接到电源）；7脚和6脚，功能分别为充电状态指示和充电完成指示，这两个引脚内部结构均为漏极开漏输出，当它们导通时，对应连接的LED就会通过引脚内部的MOS管形成通路，使LED点亮。正常充电情况下，7脚导通，红灯亮，6脚截止，绿灯灭。充电完成后，7脚和6脚间的逻辑翻转，绿灯亮，红灯灭；5脚为电池正极连接端，芯片通过该引脚对电池进行充电；1脚为温度保护信号输入端，其基本原理为，通过电池内部的NTC（负温度系数热敏电阻，随着温度升高而阻值降低，温度降低而阻值升高）与外部的电阻分压后输入TEMP引脚，当该电压值低于输入电压45%和高于输入电压的80%，充电将被暂停，如果不使用温度检测功能，则可以将该引脚直接接地。2脚为充电电压编程引脚

其中：

IBAT为充电电流

VPROG为编程电压（在预充阶段为0.1V，恒流充阶段为1V）

RPROG为编程电阻，通过Vprog引脚链接到地

例如，如果RPROG = 1200Ω，则预充阶段充电电流为:

0.1/1200*1200=0.1A

恒流阶段充电电流为

1/1200*1200=1A

到此TP4056芯片功能介绍完毕，更加详细的资料可下载其数据手册进行详细了解。

序号002 过放及过充保护

过充和过放保护，从字面意思理解即可，就是避免电池过度放电和过度充电。一般来说，锂电池厂家都会有内置保护电路板，对电池进行过充和过放的保护，这种情况下，我们直接使用TP4056即可；下面将要介绍的使用是没有内置保护板的锂电池而采用的保护方案。

在众多保护方案中，DW01加MOS管为最常见的方案，电路如下

正常状态下，M1，M2均导通，

过充状态下，M2截止，充电回路切断，过放状态下，M1截止，放电回路切断，两种状态实现对电池的过充过放保护；

基于DW01加两个MOS的方案，厂商还推出了内部集成MOS的DW06，相比较而言，DW06外部电路更简单电路图如下

序号003 自动电源切换

该电源切换电路选自于TP4056的数据手册中，下面分析其工作原理

在只有VCC-BAT供电的情况下，由于MOS管Q3的G极被R1拉低到地，则MOS导通，VCC-BAT通过Q3向后级供电；

当USB电源VCC-USB插入后，Q3的G极变为高电平，使Q3截止，VCC-USB通过D1向后级供电；

USB拔除后，Q3导通，供电状态恢复为VCC-BAT供电。

序号 004 硬件开关机电路

一般来说，为了实现对系统的硬件电源切断，会使用直接的机械开关进行控制电源的通断。但是由于机械开关存在着体积较大（不利于小型化设计），且由于磨损导致寿命较短等缺点，按键开关越来越多的被使用，下面介绍一种比较简单的实现电路：

如上图所示

关机状态：由于Q1被R1钳位到高电平，Q1截止，VCC不能向后级供电

开机：长按S2，D2导通，使Q1的G极拉低而导通，VCC通过Q1向后级VCC-SYS供电；VCC-SYS连接MCU电源，MCU通电复位后开始工作，通过控制连接到MCU上面I/O的Power-On，使其为高电平，此时Q2导通，使Q1的G极变为低电平，松开按键S2，只要Power-On引脚电平保持为高电平，系统供电正常供电；

关机流程：开机状态下，长按下S2，MCU通过D2，检测到低电平，累计一定时间后，判定为关机动作，将Power-ON引脚输出低电平，Q1截止，系统断电；

上面所述的电路，可实现系统的硬关机。

上面提到的四个电路，可根据实际情况进行组合调整，应用于电路之中。

本周互动交流

本次公开课的问题是：

如何判断开机充电和关机充电的状态，从而实现关机充电和开机充电的进度指示？

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上周硬学链接：硬学|滤波—理解旁路电容的作用与PCB设计要点

单节锂电池供电内置升压2×10W立体声D类音频功放解决方案

3.7V锂电池供电依然是现阶段便携式音箱主流方式。在有限的电池电压前提下为了把输出功率做大，功放芯片内置升压模块把升压值再提高。此时，要考虑到效率问题，理论上升压越高，压差越大，效率越低。CS83785是一款内置升压音频功放IC，3.7V锂电池供电内置升压到8.5V，能提供2×10W持续功率输出。效率最高达85%，这就保证了输出功率恒定以及整机温升在正常范围之内，以及锂电池的续航时间。CS83785另一个亮点是可以支持外接12V电源直供，此时能提供2×18W输出功率。还有其他丰富的功能以及性能：两种防破音可选、扩频模式、过流保护、短路保护、过热保护等。采用简洁的EQA28封装设计生产也非常方便。

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CS83785应用特性

内置BOOST模块R类结构

输出功率

PO at 10% THD+N, Vbat = 3.7V

RL = 4 Ω+47uH 2 x 10W(D MODE NCN OFF）

PO at 1% THD+N, Vbat = 3.7V

RL = 4 Ω+47uH 2 x 8W(D MODE NCN OFF）

工作电压范围：3.0V到5.5V

内置两种防破音模式

BOOST升压至8.5V

86%的效率@PO=2X5W