【導(dǎo)讀】隨著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(jì)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(dāng)今半導(dǎo)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(jì)是使用戶深切感受到產(chǎn)品優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。
不僅是便攜式娛樂設(shè)備和手持產(chǎn)品采用電池供電應(yīng)用，此類應(yīng)用在綠色產(chǎn)品中也有用武之地，例如光伏（PhotoVoltaic,PV）應(yīng)用和電動(dòng)車（ElectricalVehicle,EV）等。
除了安全性、成本和尺寸外，將電池的運(yùn)行時(shí)間最大化并延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)于電池供電應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說也是極其重要的。隨著用于驅(qū)動(dòng)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(duì)可充電電池進(jìn)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(dāng)今集成解決方案的電源管理和電池管理電路設(shè)計(jì)。
主要的電池技術(shù)
電池技術(shù)可簡(jiǎn)單地分為兩類：不可充電型和可充電型。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(dòng)電壓，標(biāo)稱電壓為1.2V,壽命結(jié)束時(shí)的電壓為大約0.9V.單節(jié)堿性電池壽命結(jié)束時(shí)的電壓可低至0.7V-0.8V,具體取決于負(fù)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、可用解決方案和功耗預(yù)算。
例如，某種無線光電鼠標(biāo)解決方案的工作電壓范圍是1.8V至3.2V.該鼠標(biāo)使用2節(jié)串聯(lián)配置的堿性電池便可正常工作，無需附加穩(wěn)壓電源。如果需要極其緊湊的鼠標(biāo)設(shè)計(jì)，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
可充電電池被認(rèn)為是二次電池，每次使用后都可將電量盡可能恢復(fù)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(jìn)行說明。鎳氫電池是很好的堿性電池替代品，因?yàn)槠渫庑魏凸ぷ麟妷悍秶c堿性電池類似。傳統(tǒng)鎳氫電池的一個(gè)缺點(diǎn)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)，其推出的鎳氫電池系列在生產(chǎn)12個(gè)月后仍可保持至少85%的電容量?；謴?fù)鎳氫電池的電量有簡(jiǎn)單且低成本的解決方案，但采用雙重截止充電方法（通過充電電流和工作環(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(shí)間升高和電壓隨時(shí)間降低（或不變）的特性。
表2：電池化學(xué)性能的比較
鋰離子電池目前被認(rèn)為是成熟的電池技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話和汽車等領(lǐng)域，因?yàn)榕c十年前相比，其生產(chǎn)成本更低且性能更好。在設(shè)計(jì)多節(jié)電池系統(tǒng)時(shí)，單節(jié)標(biāo)稱電壓為3.6V的電池具有巨大優(yōu)勢(shì)，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(gè)人媒體播放器或無線藍(lán)牙（Bluetooth）耳機(jī)。但是，需要提供保護(hù)電路，以將鋰離子電池可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)（例如過充或過熱）降至最低限度。鋰離子電池的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)（可充電500-1,000次），如果每天都對(duì)電池充電，在至12年后才需要更換。設(shè)計(jì)合理的鋰離子電池電源管理系統(tǒng)將延長(zhǎng)電池使用壽命，并提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
電池供電應(yīng)用中的集成電路
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(jì)通常至少含有以下集成電路（integrated circuit,IC）中的一種：
1. 電源管理單元（Power Management Unit,PMU）
2. 單片機(jī)單元（Microcontroller Unit,MCU）
3. 電池管理單元（Battery Management Unit,BMU）
本部分將討論這些IC以及如何選擇適當(dāng)拓?fù)湟匝娱L(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間并達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
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(fù)雜性、EMI問題和性能不足（包括電源輸出通道數(shù)不夠或負(fù)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(gè)或多個(gè)輸出。
電池供電應(yīng)用常用的功率調(diào)節(jié)拓?fù)浒ǖ幌抻诰€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?fù)涞墓δ芏际且粯拥?，即在設(shè)計(jì)的電流范圍內(nèi)對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓（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(dòng)器）。每種拓?fù)淇赡芏夹枰獑为?dú)一篇文章來進(jìn)行介紹。本文重點(diǎn)介紹電源管理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。
在選擇穩(wěn)壓器時(shí)，很容易想到低壓差穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator,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 = VOUT x IOUT 公式1
PIN = VIN x （IOUT + IQ） 公式2
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x （IOUT + IQ） 公式3
IQ 《 IOUT時(shí)，
η = VOUT / VIN 公式4
圖1演示了LDO的效率。如果輸出電流遠(yuǎn)大于靜態(tài)電流（IQ），則可以忽略IQ.對(duì)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(jiǎn)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(jì)中，IQ非常重要，因?yàn)榇龣C(jī)時(shí)間將決定更換一次性電池的頻率或?qū)Χ坞姵剡M(jìn)行充電的頻率。延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的方法之一是選擇低IQ器件。
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圖2展示了兩種LDO（MCP1700與TC1017）的效率比較圖。負(fù)載電流很?。ㄈ?00μA）時(shí)，MCP1700 LDO的 效率比TC1017高25%.但是，在負(fù)載電流超過10 mA后，兩種器件間的差異便不是很明顯了，如圖1所示。此結(jié)果也證明了公式4。
圖1：LDO效率與輸出電流的關(guān)系
盡管低IQ可延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，但也存在與此相關(guān)聯(lián)的性能下降問題，例如對(duì)線路瞬變和負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，以及對(duì)電源噪聲的抑制能力變?nèi)?。圖2展示了一個(gè)負(fù)載響應(yīng)時(shí)間的示例。圖2的結(jié)果表明，如果性能對(duì)于設(shè)計(jì)很重要，不容有任何損失，那么在不提高成本的情況下，很難保持較低的IQ.克服此障礙的另一種方法是選擇具有關(guān)斷或待機(jī)功能的器件。例如，MCP1802 LDO工作在10 kHz時(shí)的電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio,PSRR）高達(dá)70dB,但其只消耗25μA的靜態(tài)電流。處于關(guān)斷模式時(shí)，MCP1802 LDO僅提供10nA的典型待機(jī)電流。這一便利的功能有助于在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)將功耗降至最低。開關(guān)穩(wěn)壓器和MCU等器件可采用相同的理論來延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。
圖2：MCP1700與TC1017的LDO負(fù)載階躍響應(yīng)比較
開關(guān)電容穩(wěn)壓器也稱為電荷泵。此概念包括倍壓器、分壓器、負(fù)壓發(fā)生器和直流-直流穩(wěn)壓器等。為了將電荷泵用作穩(wěn)壓器，器件通常先將電壓倍增，然后將穩(wěn)壓后的電壓送至所需輸出。當(dāng)輸入電壓與輸出電壓之間的差異較小時(shí)，轉(zhuǎn)換過程中會(huì)有能量損失。因此，可使用多級(jí)電荷泵來幫助提高效率。
圖3a和3b展示了MCP1256系列的雙模式電荷泵操作。
圖3a：MCP1256/7/8/9電荷泵的1.5X能量傳輸操作
圖3b：MCP1256/7/8/9電荷泵的2X能量傳輸操作
充電階段完成后，傳輸階段開始。此階段將能量從快速電容傳輸至輸出。MCP1256/7/8/9器件會(huì)自動(dòng)在1.5X模式與2X模式之間切換。這決定了在能量傳輸至輸出后，快速電容是改為并聯(lián)（1.5X模式）還是保持串聯(lián)（2X模式）。傳輸模式?jīng)Q定了閉合哪些開關(guān)以進(jìn)行傳輸。
圖4：MCP1256/7/8/9電荷泵效率與VIN的關(guān)系
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x 1.5 x IOUT = V OUT / VIN x 1.5 公式5
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x 2 x IOUT = V OUT / VIN x 2 公式6
公式5用于計(jì)算1.5X工作模式下的效率，而公式6用于計(jì)算2X工作模式下的效率。圖4顯示了多級(jí)電荷泵的模式轉(zhuǎn)換和特性。隨著負(fù)載的增加，最小輸入電壓也會(huì)增加。因此，實(shí)際的最小輸入電壓與所需負(fù)載電流相關(guān)聯(lián)。輸入接近于輸出時(shí)，1.5X工作模式可提高效率。
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相似的多工作模式概念同樣適用于直流-直流轉(zhuǎn)換器。圖5展示了典型升壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路。除了脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,PFM）和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）模式外，轉(zhuǎn)換器還可工作在旁路模式下，以將特定情況下的不必要功耗降至最低。
圖5：MCP1640電路配置（6引腳SOT-23封裝）
單片機(jī)（MCU）對(duì)延長(zhǎng)電池壽命也起到重要作用現(xiàn)在的MCU廠商不僅致力于最大化處理速度，而且還在不斷嘗試在性能與功耗之間找到平衡點(diǎn)，尤其是在電池供電應(yīng)用中。由于當(dāng)今器件所需晶體管數(shù)不斷增加，傳統(tǒng)休眠模式已無法再滿足現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與消費(fèi)者的需求。許多MCU廠商嘗試提供深度休眠模式來滿足這些需求。
典型MCU功耗主要分為兩類--靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。晶體管的泄漏功耗為靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗發(fā)生在運(yùn)行時(shí)。nanoWatt XLP是一項(xiàng)可采用的技術(shù)，旨在提供比上一代休眠方法更長(zhǎng)的電池壽命。nanoWatt XLP技術(shù)可為欠壓復(fù)位（Brown-out Reset,BOR）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和看門狗定時(shí)器提供更小的電流。
表3顯示了各類具有深度休眠模式的MCU,該模式可提供更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間，并且可以很好地與前文所述的電源管理IC配合工作。
表3：深度休眠模式MCU示例
WDT和/或RTC欄下的數(shù)值包括基本休眠電流。
圖6：電池壽命估算器GUI示例
為幫助設(shè)計(jì)人員估算電池運(yùn)行時(shí)間，MCU廠商提供了可根據(jù)輸入信息來計(jì)算電池可能壽命的工具。利用估算器工具，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可確定適合目標(biāo)應(yīng)用的電池，并了解如何通過所選元件將運(yùn)行時(shí)間最大化。圖6中所示的nanoWatt XLP電池壽命估算器即為此類工具之一。
恢復(fù)可充電電池的電量有多種不同方法。嵌入式充電系統(tǒng)的靈活性最高，而分立式充電管理單元可實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)。當(dāng)然，總是存在不用管理充電過程的低成本方法。我們不建議使用這種方法，尤其是分立式IC現(xiàn)在已經(jīng)非常便宜的情況下?，F(xiàn)代充電管理系統(tǒng)采用各種各樣的充電方法為鎳氫或鋰離子電池充電。圖7展示了典型的電池充電管理系統(tǒng)IC,該IC需要最少量的外部元件，有助于減少設(shè)計(jì)尺寸和成本。在將IC發(fā)貨給產(chǎn)品制造商之前，所需功能已在IC供應(yīng)商工廠內(nèi)完成內(nèi)置和預(yù)設(shè)。此IC包括1至2節(jié)鋰離子和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，其集成參考電壓范圍為3.6V至9V.具有可選截止電流比的CC-CV工作模式將滿足各種需求。
7：典型充電管理IC的電路圖
許多公司和研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)磷酸鐵可充電鋰電池。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池已開始在便攜式應(yīng)用中嶄露頭角，原因是其可充電次數(shù)多（通常為1,000-2,000次）、溫度范圍廣且穩(wěn)定耐用。迄今為止，磷酸鐵鋰電池尚無適用的標(biāo)準(zhǔn)。例如，參考充電電壓范圍為3.6V至4.1V.因此，不同制造商生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池的性能也各不相同。磷酸鐵鋰電池具有與鋰離子電池相同的CC-CV充電算法。
為滿足某些地區(qū)的安全要求，分立式電池充電管理器件提供了輸入電壓保護(hù)、電池短路保護(hù)、預(yù)充電定時(shí)器、耗時(shí)定時(shí)器和錯(cuò)誤指示燈等功能。
便攜式產(chǎn)品仍在改變?nèi)藗兊纳罘绞?。但是，仍然很難在不增加器件尺寸和重量的情況下保持產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。對(duì)于低功耗設(shè)計(jì)，所有相關(guān)元件（從模擬器件到數(shù)字單元）都必須滿足設(shè)計(jì)的電流預(yù)算。除了選擇低供電電流器件外，建議設(shè)計(jì)人員在保持性能等級(jí)的同時(shí)，盡量利用各種省電技術(shù)，例如基于負(fù)載的多模功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、輸入至輸出旁路設(shè)計(jì)以及待機(jī)等等。
