现代電(diàn)子产品電(diàn)源介绍

2021-08-05

现代電(diàn)子产品電(diàn)源介绍

在為(wèi)大多(duō)数電(diàn)子产品供電(diàn)时，您有(yǒu)三种选择：充電(diàn)電(diàn)池、可(kě)更换電(diàn)池或交流電(diàn)源。

每个选项都有(yǒu)自己的优点和缺点，我们将在本文(wén)中详细讨论。

选项#1 – 可(kě)充電(diàn)電(diàn)池

充電(diàn)電(diàn)池是為(wèi)大多(duō)数现代消费電(diàn)子产品供電(diàn)的最常用(yòng)方法。

图 1 – 各种電(diàn)池化學(xué)物(wù)质的能(néng)量密度

可(kě)充電(diàn)電(diàn)池有(yǒu)多(duō)种类型，但最常用(yòng)于消费产品的有(yǒu)两种：锂离子電(diàn)池或锂聚合物(wù)電(diàn)池。

甲锂离子電(diàn)池使用(yòng)的液體(tǐ)電(diàn)解质，而锂聚合物(wù)電(diàn)池使用(yòng)凝胶状聚合物(wù)的電(diàn)解质。但是，大多(duō)数标有(yǒu)锂聚合物(wù)電(diàn)池的電(diàn)池实际上是锂离子聚合物(wù)電(diàn)池。

真正的锂聚合物(wù)電(diàn)池使用(yòng)聚合物(wù)電(diàn)解质，而锂离子聚合物(wù)電(diàn)池使用(yòng)液體(tǐ)電(diàn)解质（就像锂离子電(diàn)池一样）但带有(yǒu)聚合物(wù)外壳。

在本文(wén)的其余部分(fēn)，我将使用(yòng)术语“锂聚合物(wù)”，尽管在大多(duō)数情况下它实际上是一种“锂离子聚合物(wù)”電(diàn)池。

锂离子電(diàn)池是硬质電(diàn)池，通常用(yòng)于筆(bǐ)记本電(diàn)脑和不需要超薄的大型产品。单个锂离子電(diàn)池通常比标准 AA 碱性電(diàn)池稍大，但在大多(duō)数情况下，这些電(diàn)池中的几个会组合在一起并封装在塑料外壳中。

图 2 – 筆(bǐ)记本電(diàn)脑電(diàn)池组内的单个锂离子電(diàn)池

另一方面，锂聚合物(wù)電(diàn)池更灵活，可(kě)以比锂离子電(diàn)池更薄。

锂聚合物(wù)電(diàn)池的成本比锂离子電(diàn)池高 10% 到 20%，因此对于较大的产品，使用(yòng)标准锂离子電(diàn)池可(kě)能(néng)更有(yǒu)意义。

图 3 – 锂聚合物(wù)電(diàn)池。请注意带有(yǒu)保护電(diàn)路的小(xiǎo)型嵌入式 PCB。

但是，即使对于较大的产品，锂聚合物(wù)電(diàn)池（可(kě)以制成各种形状）也可(kě)以让您将更多(duō)的電(diàn)池體(tǐ)积装入您的产品中。这使您可(kě)以在不增加产品尺寸的情况下增加電(diàn)池容量/寿命。

如果您的产品非常小(xiǎo)而薄，那么您可(kě)能(néng)会想要使用(yòng)锂聚合物(wù)電(diàn)池。

可(kě)充電(diàn)電(diàn)池的一个显着缺点是它们会显着增加您的产品成本。最大的成本通常是電(diàn)池本身。

大多(duō)数使用(yòng)可(kě)更换電(diàn)池的产品不包括電(diàn)池本身，因此您的产品成本不包括電(diàn)池的成本。

此外，您必须考虑充電(diàn)器電(diàn)路本身的成本。对于锂電(diàn)池，您还需要一个称為(wèi)電(diàn)量计的特殊设备，用(yòng)于监控電(diàn)池的充電(diàn)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電(diàn)源充電(diàn)器（最常见的是 USB 充電(diàn)器）。

所有(yǒu)这些都增加了一些额外的成本和复杂性。幸运的是，有(yǒu)许多(duō)集成的電(diàn)池充電(diàn)器解决方案可(kě)以处理(lǐ)锂電(diàn)池充電(diàn)所涉及的所有(yǒu)复杂问题。

可(kě)充電(diàn)電(diàn)池的其他(tā)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(hěn)多(duō)时候，您可(kě)以購(gòu)买已经过预认证的库存锂充電(diàn)電(diàn)池，但您的选择将更加有(yǒu)限。大多(duō)数商(shāng)业产品最终都需要定制電(diàn)池，以便電(diàn)池可(kě)以使用(yòng)最大的可(kě)用(yòng)空间来增加電(diàn)池寿命和容量。

一旦达到更高的制造量，您可(kě)能(néng)希望改用(yòng)定制锂電(diàn)池，以最大限度地延長(cháng)产品的電(diàn)池寿命。届时，您将被迫获得所需的认证。

最后，可(kě)充電(diàn)锂電(diàn)池存在一些严重的安全问题。大多(duō)数人都看过有(yǒu)关三星手机中锂電(diàn)池爆炸的故事。锂電(diàn)池具有(yǒu)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。安全问题是锂電(diàn)池需要认证的原因。

锂電(diàn)池需要充電(diàn)器和電(diàn)量计芯片，以及保护電(diàn)路。该電(diàn)路将防止電(diàn)池过度充電(diàn)或短路而导致電(diàn)池爆炸或着火。

我建议您購(gòu)买已在電(diàn)池中内置保护印刷電(diàn)路板的锂電(diàn)池。这样，您就不必担心任何导致产品爆炸的设计问题。

為(wèi)可(kě)充電(diàn)電(diàn)池充電(diàn)的電(diàn)源

那么下一个问题是你如何给你的锂電(diàn)池充電(diàn)？让我们讨论為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)的不同電(diàn)源。

外接交流/直流電(diàn)源适配器

外部電(diàn)源适配器通常是為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)的最简单方法。此适配器将插入交流電(diàn)源插座，然后向您的产品输出直流電(diàn)压。

图 4 – 外部 AC/DC 電(diàn)源适配器示例。请注意 UL 认证符号。

只需确保您使用(yòng)预先认证的電(diàn)源适配器，这样您的产品就不必获得 UL 认证。

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

这与锂電(diàn)池所需的UL1642认证是分(fēn)开的，这个UL认证是针对你的产品本身的。

所以一定要使用(yòng)已经过UL认证的外接電(diàn)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電(diàn)压，因此不需要 UL 认证。

USB充電(diàn)

USB 是另一种電(diàn)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(yòng)外部 USB 充電(diàn)器外，您还可(kě)以通过筆(bǐ)记本電(diàn)脑上的 USB 端口為(wèi)您的产品充電(diàn)。

图 5 – 通过 USB 充電(diàn)允许您的客户使用(yòng)任何 USB 充電(diàn)器。

USB 可(kě)能(néng)是最常见的電(diàn)池充電(diàn)方法。这是我设计到大多(duō)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(yǒu)一个预先认证的适配器。

这样做的最大优势是您的大多(duō)数客户已经拥有(yǒu)多(duō)个 USB 充電(diàn)器。

如果您需要一个仅适用(yòng)于您的产品的专用(yòng)電(diàn)源充電(diàn)器，如果客户找不到它可(kě)能(néng)会很(hěn)痛苦。但是，如果您允许他(tā)们使用(yòng)任何 USB 充電(diàn)器，他(tā)们就可(kě)以使用(yòng)您的产品随附的充電(diàn)器，或者他(tā)们已经拥有(yǒu)的任何其他(tā)充電(diàn)器。

请注意，USB 充電(diàn)有(yǒu)不同的级别。有(yǒu)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，在您的筆(bǐ)记本電(diàn)脑上。

在 USB 规范 1.0 和 2.0 下，标准下游端口可(kě)以提供高达 500mA 的電(diàn)流。另一方面，USB 3.0 SDP 可(kě)以提供高达 900 mA 的電(diàn)流。

另一个 USB 选项称為(wèi)专用(yòng)充電(diàn)端口 (DCP)，当您有(yǒu)一个插入電(diàn)源插座的 USB 充電(diàn)器时。DCP 可(kě)以提供高达 1.5A 的電(diàn)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。如果将其插入筆(bǐ)记本電(diàn)脑的 SDP 端口，则可(kě)以将電(diàn)池充電(diàn)電(diàn)流限制為(wèi) 500 mA。

另一方面，如果将其插入 DCP 充電(diàn)器，则可(kě)以将充電(diàn)電(diàn)流增加至 1.5A。尽管您必须确保不超过产品的最大充電(diàn)電(diàn)流规格。

太阳能(néng)充電(diàn)

另一种选择是太阳能(néng)電(diàn)池板。使用(yòng)太阳能(néng)電(diàn)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(xiǎo)，它将限制可(kě)用(yòng)于太阳能(néng)電(diàn)池板區(qū)域的空间。

显然，太阳能(néng)電(diàn)池板越大，它产生的電(diàn)流就越大。但对于大多(duō)数产品而言，太阳能(néng)電(diàn)池板产生的電(diàn)流将非常小(xiǎo)。所以这将是一个缓慢的電(diàn)池充電(diàn)过程。它不会像 USB 充電(diàn)器那样快速充電(diàn)。

无線(xiàn)感应充電(diàn) (Qi)

另一种電(diàn)源选择是使用(yòng)无線(xiàn)感应充電(diàn)。无線(xiàn)充電(diàn)器通过電(diàn)磁场传输能(néng)量。这是通过使用(yòng)两个線(xiàn)圈使用(yòng)类似于变压器的電(diàn)磁感应来传输能(néng)量来实现的。

Qi是无線(xiàn)感应充電(diàn)最常用(yòng)的标准。

然而，无線(xiàn)充電(diàn)有(yǒu)很(hěn)多(duō)缺点。在大多(duō)数情况下，我建议至少在最初使用(yòng) USB 充電(diàn)器，除非您认為(wèi)无線(xiàn)充電(diàn)是您产品的关键功能(néng)。

如果这是您产品的关键标准，那么一定要使用(yòng)无線(xiàn)感应充電(diàn)。但是，如果您仅仅因為(wèi)它很(hěn)酷就想添加它，那么您就会毫无理(lǐ)由地為(wèi)您的产品增加大量不必要的成本和复杂性。

替代電(diàn)源

还有(yǒu)一些其他(tā)替代電(diàn)源可(kě)用(yòng)于為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)，但其中大多(duō)数对于当前产品并不实用(yòng)。

但我想快速提及它们，因為(wèi)在有(yǒu)限的情况下它们可(kě)能(néng)是一个可(kě)行的选择。此外，随着它们背后的技术的改进，它们在未来可(kě)能(néng)会变得更加实用(yòng)。

RF（射频）功率收集就是这样一种选择。射频功率收集使用(yòng)任何环境无線(xiàn)電(diàn)波的能(néng)量。该能(néng)量通过天線(xiàn)接收并转换為(wèi)可(kě)用(yòng)作電(diàn)源的電(diàn)流。

听起来很(hěn)棒，不是吗？只是从空气中提取自由能(néng)。问题是任何环境无線(xiàn)電(diàn)波中的能(néng)量都将非常小(xiǎo)。在大多(duō)数情况下，它产生的能(néng)量太少而无法发挥作用(yòng)。

还有(yǒu)来自运动的力量。例如，您摇动设备，该运动就会转化為(wèi)電(diàn)能(néng)，可(kě)用(yòng)于為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)。

一些产品使用(yòng)这种方法，但我再次倾向于建议您坚持使用(yòng)标准的充電(diàn)方法，除非它是您产品的基本功能(néng)。

最后，还有(yǒu)一些有(yǒu)趣的实验选项，比如从热量或化學(xué)反应中获取能(néng)量，但我还没有(yǒu)看到任何使用(yòng)这些方法的消费品。

选项#2 – 可(kě)更换/一次性電(diàn)池

最后，我们准备讨论為(wèi)您的产品供電(diàn)的第二种选择，即可(kě)更换電(diàn)池。

图 6 – 碱性電(diàn)池有(yǒu)多(duō)种尺寸。

大多(duō)数现代消费電(diàn)子产品使用(yòng)可(kě)充電(diàn)電(diàn)池，但对于许多(duō)产品而言，可(kě)更换電(diàn)池可(kě)能(néng)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(néng)轻易放置在交流電(diàn)源插座附近进行充電(diàn)的产品。

碱性電(diàn)池与锂電(diàn)池

您必须决定的第一个问题是您要使用(yòng)碱性電(diàn)池还是锂電(diàn)池。

这里我指的是一次性锂電(diàn)池（技术上称為(wèi)锂金属電(diàn)池），不要与可(kě)充電(diàn)锂离子或锂聚合物(wù)電(diàn)池混淆。

碱性電(diàn)池有(yǒu)我们熟悉的所有(yǒu)标准尺寸，包括 9V、AA、AAA、C 和 D 尺寸。

锂金属電(diàn)池也有(yǒu)大多(duō)数这些尺寸，但也有(yǒu)纽扣電(diàn)池（或手表）電(diàn)池。

图 7 – 一次性锂金属纽扣電(diàn)池有(yǒu)多(duō)种尺寸。

选择最佳電(diàn)池化學(xué)成分(fēn)将取决于您的产品应用(yòng)。例如，如果您的产品要在寒冷的天气中运行，那么锂電(diàn)池是比碱性電(diàn)池更好的解决方案。

碱性電(diàn)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，那么锂金属電(diàn)池将是更好的选择。

您还需要问，您的产品有(yǒu)多(duō)小(xiǎo)，電(diàn)源要求是什么？例如，如果您的产品非常小(xiǎo)且耗電(diàn)量很(hěn)小(xiǎo)（例如蓝牙 LE），那么纽扣锂電(diàn)池可(kě)能(néng)是您的最佳解决方案。

碱性電(diàn)池的電(diàn)压通常為(wèi) 1.5V，标准碱性電(diàn)池尺寸的锂金属電(diàn)池也是如此。另一方面，纽扣锂電(diàn)池提供 3.0V 的電(diàn)压。这会影响您对最佳電(diàn)池类型的选择。

如果您的产品需要高于電(diàn)池電(diàn)压的電(diàn)源電(diàn)压，则需要一个称為(wèi)升压开关稳压器的特殊设备来提高電(diàn)池電(diàn)压。

電(diàn)池检修门

最后，可(kě)更换電(diàn)池还有(yǒu)一个隐藏的负极。您必须设计一个電(diàn)池检修门，以便用(yòng)户可(kě)以更换電(diàn)池。

显然，如果您使用(yòng)可(kě)充電(diàn)電(diàn)池，客户就不需要接触電(diàn)池。这允许您的产品密封关闭，并且您可(kě)能(néng)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(yǒu)了電(diàn)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務(wù)障碍。

我建议您从已经制造类似产品的供应商(shāng)那里找到现有(yǒu)的现成電(diàn)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 – 交流電(diàn)源

最后，第三个选项是交流電(diàn)源。首先，从交流電(diàn)源插座為(wèi)您的产品供電(diàn)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(néng)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(yǒu)人会用(yòng) AA 電(diàn)池使自己触電(diàn)，但使用(yòng) 120VAC 可(kě)能(néng)会严重触電(diàn)或受伤。

除非您的产品包含交流组件（例如交流電(diàn)机或加热器），否则您有(yǒu)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(yòng)外，内部 AC/DC 转换電(diàn)路还可(kě)以為(wèi)您的产品增加额外的尺寸。这就是為(wèi)什么在大多(duō)数情况下，如果您的产品使用(yòng)直流電(diàn)源，我建议使用(yòng)外部 AC/DC 转换器。

就像我之前提到的可(kě)充電(diàn)電(diàn)池一样，如果您使用(yòng)外部 AC/DC 转换器，请确保使用(yòng)经过预认证的转换器。