电推剪高效改锂电（分立元件开关降压电路应用1）

关福 2015-04-15

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KAIRUI防水电推剪，比较有劲，不过噪声也偏大。新机时并没有拍照，这是借用网上的图：

　　是成套的，内置充电电池，可充电的：

　　插上充电头即充电，会亮起红色指示灯：

　　用到现在外壳有些掉漆，不过刀头依然锋利。以下是本人用卡片相机实拍的图，效果虽然有些勉强，但风格还算比较配套：

　　由于只是自家用，每个使用周期中闲置时间较长，每次用后如果充好电存放，下次取出要用时却是差不多没电了，电池自放电较大，只好现充现用，比较耽误时间。
　　电池越来越不行了，充足电也支撑不够一次使用了，换吧。拆开看看，原来是用2节AA镍镉电池串联的，容量只有600mAh。这容量是按每个头15分钟设计的？下图中的电池就是从里面拆出的：

　　手中有不少AA充电电池，其中有几节稍旧的超霸（GP）镍氢电池，每节容量是2400mAh。想想这电力容量每次够变幻几个发型用的，超耐用有木有？且同是AA，能保持原滋原味，就换上了。换后内外观没什么变化。

　　不曾想，由于旧镍氢电池有较大的自放电，每回取出使用时，电机竟然都是难以启动，需要插上充电头现充电很长时间才能缓过劲来（充电头没有升级扩容是主因），然后越用电越足——这么久的前奏也太捉弄人了吧！看来还得换，着急理发用，直接换成锂电吧，来个终极解决。
　　先抄出原来的电路图（这是后来整理的，就不显摆当时手画真迹了）：

　　图中二极管D1原为RS1M，实际与1N400X相当。

　　再拆开，去掉里面的一个用于原来电池定位的塑料立筋后，里面空间恰好能放下一节18650电池，再给锂电加个条状的保护板，还是很合适的。简单劳动，过程就不上图了。这是换电池后的样子，电池是绿皮的：

　　试通电，锂电池电压太高，电机疯转，有点吓人。这样肯定不行，需要降压，最简单的办法是串联二极管。先串一只1N4007试试，电压还高、速度仍快，于是串了二只，差不多了。增加的两只二极管串接在电机的白线上，图中电路板下有1只，只能看到1只。实物如下：

　　部分元件和节点标示一下：

　　捉急理发，就先装好、这么样用一次吧～～实际使用效果还是很不错的。
　　原来的充电头没劲、不能用了。主要是不喜欢那个欧式插头，就不对这个充电头进行改造了。充电头已拆过，详见拆机帖：http://bbs./read.php?tid=1088426

　　电推剪的充电插头是专用形状的，还得保留。锂电要充电，就把原来的充电头剪线了，只用线及插头。线的另一端与一个联想鼠标的优质USB线对接，改成USB插头线了。改线时需要注意正负极性不可接错。这样可以与5V的手机充电头共用，统一了不仅方便，同时电力充沛，可以边理发边充电，不需再担心里面的电池没电了。

　　在加装专用充电芯片之前，临时串联二极管D1降压做为充电电路，这个暂且按下不表。上改造后的电路图：

　　这样改后已经很不错了，18650电芯的容量一般在1500mAh以上，已经远高于原配电池的600mAh了。不过，这与完美还有距离，至少不如采用LDO好，不能就此止步。那么问题来了：除了要加上自动充电外，降压电路怎么再改进呢？

那样改为锂电后，至少有两点不够满意：
　　1、电机转速受电池电压影响较大，特别是在电池充满电时转速仍然偏高，对寿命影响较大。对于这个问题，可以将降压二极管改为1A以上的低压差LDO来解决，会有较好的效果。
　　2、串联两只二极管降压或用LDO，损耗不小啊。估算一下，锂电池的电压按4.0V，2只二极管压降按1.4V，那么电机上的电压约2.6V，效率为：2.6/4=65%，有一定的提升空间。

　　为解决电压匹配的问题，也可以考虑改造电机，即重绕线包，使之适用于4V电压。不过，本人不善于绕制电机线包，这涉及到动平衡调整等精细活计、如何计算选用适当粗细的漆包线、怎么调整匝数等问题，感到难度不小。同时，改线包是不能解决电池电压变化时，电机转速或动力会随之变化的问题的。
　　相比之下，还是采用降压+稳压电路的方案更好——欢迎对此偏见拍砖。
　　即便已经满意，也会继续改进的，因为本帖是为了实践“分立元件开关降压电路应用“的，目标是实现动力稳定和电源高效。

　　于是，理完发后就开始考虑如何改造为开关电路进行降压和稳压。手上没有能工作于5V以下的DC-DC降压IC，还是用分立元件做一个吧。先给降压电路找个安装位置，内部可利用空间并不多：

　　似乎只有后部的这个空间（图中位置2）最合适，面积虽然不大但还有些深度可利用。

　　电路必须简单，边仿真边修改，设计了精干的自激Bulk稳压电路，实际仅比线性稳压电路多2个元件。先用常见元件搭建实物电路进行验证及调整参数。没使用面包板或电路板，手边有啥就用啥，元件引脚长短不一，所以看上去比较狂野，大家看图乐呵一下，哈哈～：

　　试过用NMOS管，效果一般：

　　电路不算复杂，经验证后决定不用电路板，搭棚构建。关键元器件：
　　1、要有一个电阻小、电感量大的电感，后来在旧的开关电源板上找了个，就没有自行绕制；
　　2、选一个主开关管，要双极性的，NPN的2SD882好找（8050也可，好处是个头小，但裕量略小），电流大，电机堵转时能抗住；
　　3、要有个工作指示灯，用了个3mm红色LED兼做电平移位和指示灯；
　　4、要有个合适的低压稳压管，可用高灵敏贴片LED代替。
　　其他元器件个头要小些，因为空间有限。

　　正式搭棚，确定以磁芯电感和D882为主体的结构，这是个头最大的2个零件。比较紧凑，有几个贴片太小了，难以在图上显示清楚：

　　构造时注意把需要调整的元件置于外围，以方便更换。本电路仅需调整输出电压，调整元件为一个电阻。

　　输出电容必不可少，这里上个小的。由于要接输出线，这里需要一些强度，所以用了带引脚的电容：

　　搭建的降压电路块在预定位置就位，大小刚刚好，多了个红色的工作指示灯：

　　连接电池，以镊子接通电源，电机正常运转，初试成功：

　　图中挨着电池的深色长条就是锂电保护板。

　　关闭闪光灯拍照，能清楚看到LED亮起，还有个贴片蓝光LED发出微弱的蓝光，这个LED是当作稳压管用的：

　　然后按如下电路图进行完善。前面搭棚的电路为图中的"NPN降压电路”，已然采用开关式DC-DC了; 充电部分暂时仍用二极管降压方式：

　　试试插上充电线并通电工作时的情况：充电灯亮，工作灯微亮，稳压灯较亮，表明电机主要由外部供电。

　　最后对LED的限流电阻和外部直供电的限流电阻进行了调整，使得两路电流分配适当、指示灯亮度均衡：

　　在电机两端并联了一个470uF的电解电容，较大的输出电容用以保证开关式DC-DC电路稳定工作。改好降压—稳压电路后的完整内部图：

　　这部分就算完工了。说一下实测性能数据：
　　1、实测电机最佳工作电压约2.6V，而非3V，若用3.3V的LDO则电压明显偏高。电机正常电流约0.26A。
　　2、接10Ω电阻负载时，本DC-DC电路输出电压2.665V，输出功率0.710W。
　　3、接10Ω电阻负载、锂电供电时，实测电池电压3.9V、电流0.216A，消耗功率0.842W。
　　4、接10Ω电阻负载、锂电供电时，按实测计算效率不低于84%。最高效率没有测试。
　　5、按此电路，用输出5.2V的USB供电头充电，最高充电电压仅4.0V，所以最好还是改一下充电电路。

　　随后加装自动充电管理电路。

展示加装正规充电电路情况，位置选在电路板元件面。充电电路要考虑有线供电、边充边用的问题。
　　买了2元一个的移动电源板，经测试充电单元是完好的，选用作为原料板：

　　上面有一块型号为P40X的充电管理IC：

　　这颗IC体质不错，能保证边充边用。它的一些特性使它非常适合用在这里：
　　　1、可编程使充电电流可达1A
　　　2、预设充电电压为 4.2V±1%
　　　3、充电电流输出监控
　　　4、充电状态指示标志和充满状态标志
　　　5、自动再充电
　　　6、软启动限制浪涌电流
　　　7、输出端具有防反灌保护功能。
　　性能及功能与TP4056基本一致，下面是它的典型应用电路图：