现代电子产品电源介绍

2021-08-05

现代电子产品电源介绍

在为大多数电子产品供电时，您有三种选择：充电电池、可更换电池或交流电源。

每个选项都有自己的优点和缺点，我们将在本文中详细讨论。

选项#1 – 可充电电池

充电电池是为大多数现代消费电子产品供电的最常用方法。

图 1 – 各种电池化学物质的能量密度

可充电电池有多种类型，但最常用于消费产品的有两种：锂离子电池或锂聚合物电池。

甲锂离子电池使用的液体电解质，而锂聚合物电池使用凝胶状聚合物的电解质。但是，大多数标有锂聚合物电池的电池实际上是锂离子聚合物电池。

真正的锂聚合物电池使用聚合物电解质，而锂离子聚合物电池使用液体电解质（就像锂离子电池一样）但带有聚合物外壳。

在本文的其余部分，我将使用术语“锂聚合物”，尽管在大多数情况下它实际上是一种“锂离子聚合物”电池。

锂离子电池是硬质电池，通常用于笔记本电脑和不需要超薄的大型产品。单个锂离子电池通常比标准 AA 碱性电池稍大，但在大多数情况下，这些电池中的几个会组合在一起并封装在塑料外壳中。

图 2 – 笔记本电脑电池组内的单个锂离子电池

另一方面，锂聚合物电池更灵活，可以比锂离子电池更薄。

锂聚合物电池的成本比锂离子电池高 10% 到 20%，因此对于较大的产品，使用标准锂离子电池可能更有意义。

图 3 – 锂聚合物电池。请注意带有保护电路的小型嵌入式 PCB。

但是，即使对于较大的产品，锂聚合物电池（可以制成各种形状）也可以让您将更多的电池体积装入您的产品中。这使您可以在不增加产品尺寸的情况下增加电池容量/寿命。

如果您的产品非常小而薄，那么您可能会想要使用锂聚合物电池。

可充电电池的一个显着缺点是它们会显着增加您的产品成本。最大的成本通常是电池本身。

大多数使用可更换电池的产品不包括电池本身，因此您的产品成本不包括电池的成本。

此外，您必须考虑充电器电路本身的成本。对于锂电池，您还需要一个称为电量计的特殊设备，用于监控电池的充电水平。这些会增加一些额外的成本。

最后，您需要在您的产品中包含某种类型的外部电源充电器（最常见的是 USB 充电器）。

所有这些都增加了一些额外的成本和复杂性。幸运的是，有许多集成的电池充电器解决方案可以处理锂电池充电所涉及的所有复杂问题。

可充电电池的其他问题之一是它们需要额外的安全认证。其中一些认证是 UL1642、IEC61233 和 UN 38.3。

很多时候，您可以购买已经过预认证的库存锂充电电池，但您的选择将更加有限。大多数商业产品最终都需要定制电池，以便电池可以使用最大的可用空间来增加电池寿命和容量。

一旦达到更高的制造量，您可能希望改用定制锂电池，以最大限度地延长产品的电池寿命。届时，您将被迫获得所需的认证。

最后，可充电锂电池存在一些严重的安全问题。大多数人都看过有关三星手机中锂电池爆炸的故事。锂电池具有潜在的非常危险。

因此，如果您要在产品中设计其中之一，则需要注意安全问题。安全问题是锂电池需要认证的原因。

锂电池需要充电器和电量计芯片，以及保护电路。该电路将防止电池过度充电或短路而导致电池爆炸或着火。

我建议您购买已在电池中内置保护印刷电路板的锂电池。这样，您就不必担心任何导致产品爆炸的设计问题。

为可充电电池充电的电源

那么下一个问题是你如何给你的锂电池充电？让我们讨论为电池充电的不同电源。

外接交流/直流电源适配器

外部电源适配器通常是为电池充电的最简单方法。此适配器将插入交流电源插座，然后向您的产品输出直流电压。

图 4 – 外部 AC/DC 电源适配器示例。请注意 UL 认证符号。

只需确保您使用预先认证的电源适配器，这样您的产品就不必获得 UL 认证。

任何直接插入交流电源插座的产品都需要 UL 认证。这种认证非常昂贵，通常花费超过 10,000 美元。

这与锂电池所需的UL1642认证是分开的，这个UL认证是针对你的产品本身的。

所以一定要使用已经过UL认证的外接电源适配器。由于预先认证的适配器负责 AC/DC 转换，并且您的产品从不直接连接到交流电压，因此不需要 UL 认证。

USB充电

USB 是另一种电源选项，本质上只是一种标准化类型的外部 AC/DC 适配器，如上所述。但是，除了使用外部 USB 充电器外，您还可以通过笔记本电脑上的 USB 端口为您的产品充电。

图 5 – 通过 USB 充电允许您的客户使用任何 USB 充电器。

USB 可能是最常见的电池充电方法。这是我设计到大多数产品中的方法。这也是我通常推荐的一种。它非常标准化，USB 还允许您拥有一个预先认证的适配器。

这样做的最大优势是您的大多数客户已经拥有多个 USB 充电器。

如果您需要一个仅适用于您的产品的专用电源充电器，如果客户找不到它可能会很痛苦。但是，如果您允许他们使用任何 USB 充电器，他们就可以使用您的产品随附的充电器，或者他们已经拥有的任何其他充电器。

请注意，USB 充电有不同的级别。有一种叫做标准下游端口 (SDP) 的东西，它基本上是一个 USB 端口，比如说，在您的笔记本电脑上。

在 USB 规范 1.0 和 2.0 下，标准下游端口可以提供高达 500mA 的电流。另一方面，USB 3.0 SDP 可以提供高达 900 mA 的电流。

另一个 USB 选项称为专用充电端口 (DCP)，当您有一个插入电源插座的 USB 充电器时。DCP 可以提供高达 1.5A 的电流。

让您的设备检测您的产品是连接到 SDP 还是 DCP 是一件非常简单的事情。如果将其插入笔记本电脑的 SDP 端口，则可以将电池充电电流限制为 500 mA。

另一方面，如果将其插入 DCP 充电器，则可以将充电电流增加至 1.5A。尽管您必须确保不超过产品的最大充电电流规格。

太阳能充电

另一种选择是太阳能电池板。使用太阳能电池板的主要缺点是它增加了显着的尺寸。如果您的产品非常小，它将限制可用于太阳能电池板区域的空间。

显然，太阳能电池板越大，它产生的电流就越大。但对于大多数产品而言，太阳能电池板产生的电流将非常小。所以这将是一个缓慢的电池充电过程。它不会像 USB 充电器那样快速充电。

无线感应充电 (Qi)

另一种电源选择是使用无线感应充电。无线充电器通过电磁场传输能量。这是通过使用两个线圈使用类似于变压器的电磁感应来传输能量来实现的。

Qi是无线感应充电最常用的标准。

然而，无线充电有很多缺点。在大多数情况下，我建议至少在最初使用 USB 充电器，除非您认为无线充电是您产品的关键功能。

如果这是您产品的关键标准，那么一定要使用无线感应充电。但是，如果您仅仅因为它很酷就想添加它，那么您就会毫无理由地为您的产品增加大量不必要的成本和复杂性。

替代电源

还有一些其他替代电源可用于为电池充电，但其中大多数对于当前产品并不实用。

但我想快速提及它们，因为在有限的情况下它们可能是一个可行的选择。此外，随着它们背后的技术的改进，它们在未来可能会变得更加实用。

RF（射频）功率收集就是这样一种选择。射频功率收集使用任何环境无线电波的能量。该能量通过天线接收并转换为可用作电源的电流。

听起来很棒，不是吗？只是从空气中提取自由能。问题是任何环境无线电波中的能量都将非常小。在大多数情况下，它产生的能量太少而无法发挥作用。

还有来自运动的力量。例如，您摇动设备，该运动就会转化为电能，可用于为电池充电。

一些产品使用这种方法，但我再次倾向于建议您坚持使用标准的充电方法，除非它是您产品的基本功能。

最后，还有一些有趣的实验选项，比如从热量或化学反应中获取能量，但我还没有看到任何使用这些方法的消费品。

选项#2 – 可更换/一次性电池

最后，我们准备讨论为您的产品供电的第二种选择，即可更换电池。

图 6 – 碱性电池有多种尺寸。

大多数现代消费电子产品使用可充电电池，但对于许多产品而言，可更换电池可能是更好的选择。

例如，对于成本非常敏感的产品，或者对于不能轻易放置在交流电源插座附近进行充电的产品。

碱性电池与锂电池

您必须决定的第一个问题是您要使用碱性电池还是锂电池。

这里我指的是一次性锂电池（技术上称为锂金属电池），不要与可充电锂离子或锂聚合物电池混淆。

碱性电池有我们熟悉的所有标准尺寸，包括 9V、AA、AAA、C 和 D 尺寸。

锂金属电池也有大多数这些尺寸，但也有纽扣电池（或手表）电池。

图 7 – 一次性锂金属纽扣电池有多种尺寸。

选择最佳电池化学成分将取决于您的产品应用。例如，如果您的产品要在寒冷的天气中运行，那么锂电池是比碱性电池更好的解决方案。

碱性电池在寒冷的天气里表现得非常糟糕。如果您的产品将在寒冷的温度下运行，那么锂金属电池将是更好的选择。

您还需要问，您的产品有多小，电源要求是什么？例如，如果您的产品非常小且耗电量很小（例如蓝牙 LE），那么纽扣锂电池可能是您的最佳解决方案。

碱性电池的电压通常为 1.5V，标准碱性电池尺寸的锂金属电池也是如此。另一方面，纽扣锂电池提供 3.0V 的电压。这会影响您对最佳电池类型的选择。

如果您的产品需要高于电池电压的电源电压，则需要一个称为升压开关稳压器的特殊设备来提高电池电压。

电池检修门

最后，可更换电池还有一个隐藏的负极。您必须设计一个电池检修门，以便用户可以更换电池。

显然，如果您使用可充电电池，客户就不需要接触电池。这允许您的产品密封关闭，并且您可能只需要两块模制塑料 - 顶部和底部组合在一起并构成您的外壳。

一旦您有了电池盖，您就会添加额外的、独立的第三块定制塑料。这种额外的定制塑料件将需要定制注塑模具，而且模具非常昂贵。

事实上，模具成本通常是将产品从原型扩展到大规模生产的最大财务障碍。

我建议您从已经制造类似产品的供应商那里找到现有的现成电池检修门。找到一种您知道的与您对产品的想法相匹配的产品。

然后围绕现成的检修门设计您的外壳。这样做将消除对额外注塑模具的需要。

选项 #3 – 交流电源

最后，第三个选项是交流电源。首先，从交流电源插座为您的产品供电的最大缺点是它需要昂贵的 UL 认证。所以你说至少 10,000 美元才能让你的产品获得认证。

还涉及安全问题（因此需要 UL 认证）。没有人会用 AA 电池使自己触电，但使用 120VAC 可能会严重触电或受伤。

除非您的产品包含交流组件（例如交流电机或加热器），否则您有时需要执行一些交流/直流转换。

除了支付昂贵的 UL 认证费用外，内部 AC/DC 转换电路还可以为您的产品增加额外的尺寸。这就是为什么在大多数情况下，如果您的产品使用直流电源，我建议使用外部 AC/DC 转换器。

就像我之前提到的可充电电池一样，如果您使用外部 AC/DC 转换器，请确保使用经过预认证的转换器。