現代電子產品電源介紹

2021-08-05

現代電子產品電源介紹

在為大多數電子產品供電時，您有三種選擇：充電電池、可更換電池或交流電源。

每個選項都有自己的優點和缺點，我們將在本文中詳細討論。

選項#1 – 可充電電池

充電電池是為大多數現代消費電子產品供電的最常用方法。

圖 1 – 各種電池化學物質的能量密度

可充電電池有多種類型，但最常用于消費產品的有兩種：鋰離子電池或鋰聚合物電池。

甲鋰離子電池使用的液體電解質，而鋰聚合物電池使用凝膠狀聚合物的電解質。但是，大多數標有鋰聚合物電池的電池實際上是鋰離子聚合物電池。

真正的鋰聚合物電池使用聚合物電解質，而鋰離子聚合物電池使用液體電解質（就像鋰離子電池一樣）但帶有聚合物外殼。

在本文的其余部分，我將使用術語“鋰聚合物”，盡管在大多數情況下它實際上是一種“鋰離子聚合物”電池。

鋰離子電池是硬質電池，通常用于筆記本電腦和不需要超薄的大型產品。單個鋰離子電池通常比標準 AA 堿性電池稍大，但在大多數情況下，這些電池中的幾個會組合在一起并封裝在塑料外殼中。

圖 2 – 筆記本電腦電池組內的單個鋰離子電池

另一方面，鋰聚合物電池更靈活，可以比鋰離子電池更薄。

鋰聚合物電池的成本比鋰離子電池高 10% 到 20%，因此對于較大的產品，使用標準鋰離子電池可能更有意義。

圖 3 – 鋰聚合物電池。請注意帶有保護電路的小型嵌入式 PCB。

但是，即使對于較大的產品，鋰聚合物電池（可以制成各種形狀）也可以讓您將更多的電池體積裝入您的產品中。這使您可以在不增加產品尺寸的情況下增加電池容量/壽命。

如果您的產品非常小而薄，那么您可能會想要使用鋰聚合物電池。

可充電電池的一個顯著缺點是它們會顯著增加您的產品成本。最大的成本通常是電池本身。

大多數使用可更換電池的產品不包括電池本身，因此您的產品成本不包括電池的成本。

此外，您必須考慮充電器電路本身的成本。對于鋰電池，您還需要一個稱為電量計的特殊設備，用于監控電池的充電水平。這些會增加一些額外的成本。

最后，您需要在您的產品中包含某種類型的外部電源充電器（最常見的是 USB 充電器）。

所有這些都增加了一些額外的成本和復雜性。幸運的是，有許多集成的電池充電器解決方案可以處理鋰電池充電所涉及的所有復雜問題。

可充電電池的其他問題之一是它們需要額外的安全認證。其中一些認證是 UL1642、IEC61233 和 UN 38.3。

很多時候，您可以購買已經過預認證的庫存鋰充電電池，但您的選擇將更加有限。大多數商業產品最終都需要定制電池，以便電池可以使用最大的可用空間來增加電池壽命和容量。

一旦達到更高的制造量，您可能希望改用定制鋰電池，以最大限度地延長產品的電池壽命。屆時，您將被迫獲得所需的認證。

最后，可充電鋰電池存在一些嚴重的安全問題。大多數人都看過有關三星手機中鋰電池爆炸的故事。鋰電池具有潛在的非常危險。

因此，如果您要在產品中設計其中之一，則需要注意安全問題。安全問題是鋰電池需要認證的原因。

鋰電池需要充電器和電量計芯片，以及保護電路。該電路將防止電池過度充電或短路而導致電池爆炸或著火。

我建議您購買已在電池中內置保護印刷電路板的鋰電池。這樣，您就不必擔心任何導致產品爆炸的設計問題。

為可充電電池充電的電源

那么下一個問題是你如何給你的鋰電池充電？讓我們討論為電池充電的不同電源。

外接交流/直流電源適配器

外部電源適配器通常是為電池充電的最簡單方法。此適配器將插入交流電源插座，然后向您的產品輸出直流電壓。

圖 4 – 外部 AC/DC 電源適配器示例。請注意 UL 認證符號。

只需確保您使用預先認證的電源適配器，這樣您的產品就不必獲得 UL 認證。

任何直接插入交流電源插座的產品都需要 UL 認證。這種認證非常昂貴，通?；ㄙM超過 10,000 美元。

這與鋰電池所需的UL1642認證是分開的，這個UL認證是針對你的產品本身的。

所以一定要使用已經過UL認證的外接電源適配器。由于預先認證的適配器負責 AC/DC 轉換，并且您的產品從不直接連接到交流電壓，因此不需要 UL 認證。

USB充電

USB 是另一種電源選項，本質上只是一種標準化類型的外部 AC/DC 適配器，如上所述。但是，除了使用外部 USB 充電器外，您還可以通過筆記本電腦上的 USB 端口為您的產品充電。

圖 5 – 通過 USB 充電允許您的客戶使用任何 USB 充電器。

USB 可能是最常見的電池充電方法。這是我設計到大多數產品中的方法。這也是我通常推薦的一種。它非常標準化，USB 還允許您擁有一個預先認證的適配器。

這樣做的最大優勢是您的大多數客戶已經擁有多個 USB 充電器。

如果您需要一個僅適用于您的產品的專用電源充電器，如果客戶找不到它可能會很痛苦。但是，如果您允許他們使用任何 USB 充電器，他們就可以使用您的產品隨附的充電器，或者他們已經擁有的任何其他充電器。

請注意，USB 充電有不同的級別。有一種叫做標準下游端口 (SDP) 的東西，它基本上是一個 USB 端口，比如說，在您的筆記本電腦上。

在 USB 規范 1.0 和 2.0 下，標準下游端口可以提供高達 500mA 的電流。另一方面，USB 3.0 SDP 可以提供高達 900 mA 的電流。

另一個 USB 選項稱為專用充電端口 (DCP)，當您有一個插入電源插座的 USB 充電器時。DCP 可以提供高達 1.5A 的電流。

讓您的設備檢測您的產品是連接到 SDP 還是 DCP 是一件非常簡單的事情。如果將其插入筆記本電腦的 SDP 端口，則可以將電池充電電流限制為 500 mA。

另一方面，如果將其插入 DCP 充電器，則可以將充電電流增加至 1.5A。盡管您必須確保不超過產品的最大充電電流規格。

太陽能充電

另一種選擇是太陽能電池板。使用太陽能電池板的主要缺點是它增加了顯著的尺寸。如果您的產品非常小，它將限制可用于太陽能電池板區域的空間。

顯然，太陽能電池板越大，它產生的電流就越大。但對于大多數產品而言，太陽能電池板產生的電流將非常小。所以這將是一個緩慢的電池充電過程。它不會像 USB 充電器那樣快速充電。

無線感應充電 (Qi)

另一種電源選擇是使用無線感應充電。無線充電器通過電磁場傳輸能量。這是通過使用兩個線圈使用類似于變壓器的電磁感應來傳輸能量來實現的。

Qi是無線感應充電最常用的標準。

然而，無線充電有很多缺點。在大多數情況下，我建議至少在最初使用 USB 充電器，除非您認為無線充電是您產品的關鍵功能。

如果這是您產品的關鍵標準，那么一定要使用無線感應充電。但是，如果您僅僅因為它很酷就想添加它，那么您就會毫無理由地為您的產品增加大量不必要的成本和復雜性。

替代電源

還有一些其他替代電源可用于為電池充電，但其中大多數對于當前產品并不實用。

但我想快速提及它們，因為在有限的情況下它們可能是一個可行的選擇。此外，隨著它們背后的技術的改進，它們在未來可能會變得更加實用。

RF（射頻）功率收集就是這樣一種選擇。射頻功率收集使用任何環境無線電波的能量。該能量通過天線接收并轉換為可用作電源的電流。

聽起來很棒，不是嗎？只是從空氣中提取自由能。問題是任何環境無線電波中的能量都將非常小。在大多數情況下，它產生的能量太少而無法發揮作用。

還有來自運動的力量。例如，您搖動設備，該運動就會轉化為電能，可用于為電池充電。

一些產品使用這種方法，但我再次傾向于建議您堅持使用標準的充電方法，除非它是您產品的基本功能。

最后，還有一些有趣的實驗選項，比如從熱量或化學反應中獲取能量，但我還沒有看到任何使用這些方法的消費品。

選項#2 – 可更換/一次性電池

最后，我們準備討論為您的產品供電的第二種選擇，即可更換電池。

圖 6 – 堿性電池有多種尺寸。

大多數現代消費電子產品使用可充電電池，但對于許多產品而言，可更換電池可能是更好的選擇。

例如，對于成本非常敏感的產品，或者對于不能輕易放置在交流電源插座附近進行充電的產品。

堿性電池與鋰電池

您必須決定的第一個問題是您要使用堿性電池還是鋰電池。

這里我指的是一次性鋰電池（技術上稱為鋰金屬電池），不要與可充電鋰離子或鋰聚合物電池混淆。

堿性電池有我們熟悉的所有標準尺寸，包括 9V、AA、AAA、C 和 D 尺寸。

鋰金屬電池也有大多數這些尺寸，但也有紐扣電池（或手表）電池。

圖 7 – 一次性鋰金屬紐扣電池有多種尺寸。

選擇最佳電池化學成分將取決于您的產品應用。例如，如果您的產品要在寒冷的天氣中運行，那么鋰電池是比堿性電池更好的解決方案。

堿性電池在寒冷的天氣里表現得非常糟糕。如果您的產品將在寒冷的溫度下運行，那么鋰金屬電池將是更好的選擇。

您還需要問，您的產品有多小，電源要求是什么？例如，如果您的產品非常小且耗電量很?。ɡ缢{牙 LE），那么紐扣鋰電池可能是您的最佳解決方案。

堿性電池的電壓通常為 1.5V，標準堿性電池尺寸的鋰金屬電池也是如此。另一方面，紐扣鋰電池提供 3.0V 的電壓。這會影響您對最佳電池類型的選擇。

如果您的產品需要高于電池電壓的電源電壓，則需要一個稱為升壓開關穩壓器的特殊設備來提高電池電壓。

電池檢修門

最后，可更換電池還有一個隱藏的負極。您必須設計一個電池檢修門，以便用戶可以更換電池。

顯然，如果您使用可充電電池，客戶就不需要接觸電池。這允許您的產品密封關閉，并且您可能只需要兩塊模制塑料 - 頂部和底部組合在一起并構成您的外殼。

一旦您有了電池蓋，您就會添加額外的、獨立的第三塊定制塑料。這種額外的定制塑料件將需要定制注塑模具，而且模具非常昂貴。

事實上，模具成本通常是將產品從原型擴展到大規模生產的最大財務障礙。

我建議您從已經制造類似產品的供應商那里找到現有的現成電池檢修門。找到一種您知道的與您對產品的想法相匹配的產品。

然后圍繞現成的檢修門設計您的外殼。這樣做將消除對額外注塑模具的需要。

選項 #3 – 交流電源

最后，第三個選項是交流電源。首先，從交流電源插座為您的產品供電的最大缺點是它需要昂貴的 UL 認證。所以你說至少 10,000 美元才能讓你的產品獲得認證。

還涉及安全問題（因此需要 UL 認證）。沒有人會用 AA 電池使自己觸電，但使用 120VAC 可能會嚴重觸電或受傷。

除非您的產品包含交流組件（例如交流電機或加熱器），否則您有時需要執行一些交流/直流轉換。

除了支付昂貴的 UL 認證費用外，內部 AC/DC 轉換電路還可以為您的產品增加額外的尺寸。這就是為什么在大多數情況下，如果您的產品使用直流電源，我建議使用外部 AC/DC 轉換器。

就像我之前提到的可充電電池一樣，如果您使用外部 AC/DC 轉換器，請確保使用經過預認證的轉換器。