便攜式電子中的電池供電設(shè)計策略

1、電池在人們的日常生活中日益普及，選擇何種電池和低功耗設(shè)計方案，已成為電池供電產(chǎn)品的開發(fā)能否取得成功的關(guān)鍵。由于當今半導體技術(shù)的發(fā)展比電池技術(shù)更加迅速，電源管理設(shè)計是使用戶深切感受到產(chǎn)品優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。除了安全性、成本和尺寸外，將電池的運行時間最大化并延長其使用壽命，對于電池供電應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計來說也是極其重要的。隨著用于驅(qū)動便攜式應(yīng)用的電池技術(shù)不斷增多，需要選擇合適的方法來對可充電電池進行放電和充電。本文首先回顧適用于便攜式應(yīng)用的一般電池策略，然后將討論采用當今集成解決方案的電源管理和電池管理電路設(shè)計。設(shè)計方法0c81f9e寶運萊 主要的電池技術(shù)設(shè)計電池技術(shù)可簡單地分為兩類：不可充電型和可充電型

2、。不可充電電池在使用一次后即廢棄，稱為一次性電池。堿性電池是最常見的家用一次性電池。市面上也有堿性可充電電池，但不在本文的討論范圍內(nèi)。典型堿性電池具有大約 1.5V 至 1.65V的浮動電壓，標稱電壓為 1.2V，壽命結(jié)束時的電壓為大約 0.9V.單節(jié)堿性電池壽命結(jié)束時的電壓可低至 0.7V-0.8V，具體取決于負載電流。表 1 展示了一些常見的堿性電池配置。某些應(yīng)用可采用多種配置，具體取決于產(chǎn)品外形、系統(tǒng)要求、可用解決0c81f9e寶運萊 方案和功耗預(yù)算。例如，某種無線光電鼠標解決方案的電壓范圍是 1.8V 至 3.2V.該鼠標使用 2 節(jié)串聯(lián)配置的堿性電池便可正常，無需附加穩(wěn)壓電源。如果需

3、要極其緊湊的鼠標設(shè)計，則 2 節(jié) AA/AAA 堿性電池可能不適用。在這種情況下，可使用單節(jié) AA/AAA 堿性電池來減少所占空間，但需要用升壓轉(zhuǎn)換器將電壓升至 1.8V.表 1：堿性電池配置的比較*（下圖）可充電電池被認為是二次電池，每次使用后都0c81f9e寶運萊 可將電量盡可能恢復到原始狀態(tài)，直至電池壽命結(jié)束。本文將以鋰離子電池（Li-Ion）、鋰聚合物電池（Li-Poly）和鎳氫電池（NiMH）為例進行說明。鎳氫電池是很好的堿性電池替代品，因為其外形和電壓范圍與堿性電池類似。傳統(tǒng)鎳氫電池的一個缺點是自放電率高（每月約 20%，如表 2 所示），但有一家領(lǐng)先的電池制造商已克服了這一難關(guān)，

4、其推出的鎳氫電池系列在生產(chǎn) 12 個月后仍可保持至少85%的電容量?；謴玩嚉潆姵氐碾娏坑泻唵吻业统杀镜慕鉀Q方案，但采用雙重截止充電方法（通過充電電流和環(huán)境來指定）的嵌入式充電器將獲得最優(yōu)性能。雙重截止充電方法結(jié)合了溫度隨時間升高和0c81f9e寶運萊 電壓隨時間降低（或不變）的特性。表 2：電池化學性能的比較（下圖）鋰離子電池目前被認為是成熟的電池技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于移動電話和汽車等領(lǐng)域，因為與十年前相比，其生產(chǎn)成本更低且性能更好。在設(shè)計多節(jié)電池系統(tǒng)時，單節(jié)標稱電壓為 3.6V 的電池具有巨大優(yōu)勢，可減少 2/3 的電池節(jié)數(shù)。鋰離子電池在質(zhì)量和體積上的高能量密度使其適用于多種便攜式應(yīng)用，例如個人

5、媒體播放器或無線藍牙（Bluetooth）耳機。但是，需要提供保護電路，以將鋰離子電池可能導致的危險（例如過充或過熱）降至最低限度。0c81f9e寶運萊 鋰離子電池的使用壽命相對較長（可充電 500-1，000 次），如果每天都對電池充電，在至 12 年后才需要更換。設(shè)計合理的鋰離子電池電源管理系統(tǒng)將延長電池使用壽命，并提高整個系統(tǒng)的可靠性。電池供電應(yīng)用中的集成電路 IC除了系統(tǒng)的主芯片組（如果含有的話）外，現(xiàn)代電池系統(tǒng)設(shè)計通常至少含有以下集成電路（integratedcircuit，IC）中的一種：1.電源管理單元（PowerManagementUnit， PMU）2.單片機單元（Micro

6、controllerUnit，MCU）0c81f9e寶運萊 3.電池管理單元（BatteryManagementUnit，BMU）本部分將討論這些 IC 以及如何選擇適當拓撲以延長電池運行時間并達到設(shè)計目標。PMU 在系統(tǒng)中提供調(diào)節(jié)后的電壓或電流。某些穩(wěn)壓功能集成在主芯片組內(nèi)。但是，由于布線復雜性、EMI 問題和性能不足（包括電源輸出通道數(shù)不夠或負載能力不足等），仍需要單片式轉(zhuǎn)換器。單片式電壓轉(zhuǎn)換器可提供單個或多個輸出。電池供電應(yīng)用常用的功率調(diào)節(jié)拓撲包括但不0c81f9e寶運萊 限于線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容穩(wěn)壓器和電感開關(guān)穩(wěn)壓器。所有這些拓撲的功能都是一樣的，即在設(shè)計的電流范圍內(nèi)對輸出電壓進行穩(wěn)壓

7、（如直流-直流轉(zhuǎn)換器），或在指定的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流（如 LED驅(qū)動器）。每種拓撲可能都需要單獨一篇文章來進行介紹。本文重點介紹電源管理設(shè)計的基礎(chǔ)知識。在選擇穩(wěn)壓器時，很容易想到低壓差穩(wěn)壓器（LowDropoutRegulator，LDO）。LDO 的 EMI 問題最少，并且需要的外部元件數(shù)通常也最少。POUT=VOUTxIOUT 公式 1PIN=VINx（IOUT+IQ）公式 20c81f9e寶運萊 =POUT/PIN=VOUTxIOUT/VINx（IOUT+IQ）公式 3IQIOUT 時， =VOUT/VIN 公式 4圖 1 演示了 LDO 的效率。如果輸出電流遠大于靜態(tài)電流（IQ），則可以忽略 IQ.對于線性電路，輸入電流等于輸出電流與靜態(tài)電流之和。因此，效率可簡化為輸出電壓除以輸入電壓，如公式 4 所示。在電池供電設(shè)計中，IQ 非常重要，因為待機時間將決定更換一次性電池的頻率或?qū)Χ坞姵?c81f9e寶運萊 進行充電的頻率。延長待機時間的方法之一是選擇低 IQ 器件。圖 2 展示了兩種 LDO（MCP1700 與 TC1017）的效率