電池基電源管理系統(tǒng)設計

　　電池基系統(tǒng)廣泛地應用在蜂窩電話、PDA游戲機、醫(yī)療儀器等領域。這些系統(tǒng)需要有效的電源管理以便使設備尺寸和電池壽命最佳化。

　　電池基電源管理系統(tǒng)包括電池和為系統(tǒng)提供電源的穩(wěn)壓電路。主要的設計目標包括：

　　·性能和充電時間間隔指標，要通過有效的系統(tǒng)設計，使電池尺寸最小、重量最輕。

　　·在寬輸入電壓范圍內(nèi)提供合適的穩(wěn)定輸出電壓，在電池電壓下降時電池基系統(tǒng)能正常地工作。

　　·要求電源管理系統(tǒng)減小印刷電路板大小。

　　·功率管理系統(tǒng)最小熱耗，應消除復雜的熱管理，熱管理會增加重量和成本。

　　·電源管理系統(tǒng)最佳化的電路布線，應避免電磁干擾(EMI)。

　　·高可靠性的電源管理系統(tǒng)。

　　電池選擇

　　為了滿足上述的設計目標，電源管理系統(tǒng)的設計從電池開始。電池類型有一次電池(或非重新充電電池)和可重新充電電池。

　　一些流行的可重新充電電池包括：

　　·鎳鎘(NiCd)電池具有壽命長，高放電率和價格便宜。優(yōu)點是簡單的充電特性，能經(jīng)受多次充電/放電。

　　·鎳氫(NiMH)電池：與NiCd電池比具有較高能量密度，但是要以降低壽命為代價，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH儲存效應比較小。充電時，NiMH采用更復雜的充電算法并消耗一些熱量，因此，所需的充電時間比NiCd長。

　　·鋰離子(Li-ion)電池：具有高能量密度而且重量輕。當今鋰離子電池以單位重量的最大電化學勢能和最高能量密度而處于電池的中心位置。鋰離子電池是安全的，它在充電和放電時能提供一定的安全措施。其能量密度是標準NiCd電池的2倍。另外，它具有高容量，其負載特性是相當好的，放電特性類似于NiCd。它相當高的電池電壓(2.7~4.2V)使得很多Li-ion電池組只有一個電池組成。壽命為300充電/放電周期，在500周期為50%容量。然而，Li-ion電池需要保護電路，保護電路在充電期間限制每個電池的峰值電壓，并阻止放電時電壓下降太低。保護電路不僅限制最大充電和放電電流，而且監(jiān)控電池溫度。在處理和測試Li-ion電池時應小心短路、過充電、壓碎、敲擊、損壞、穿入、反向極性、暴露在高溫或折開電池。

　　只用帶設計有保護電路的Li-ion電池。

　　鋰聚合物(Li-Pol)電池：能量密度與Li-ion電池類似，但使用較安全，并且有較好的封裝靈活性。Li-Pol電池與Li-ion不同的地方是制造堅固性、安全性和薄外形幾何形狀。不像Li-ion電池那樣，不存在易燃性的危險。因為Li-Pol的電極是疊層式的。

　　一些電池組包含一個集成IC保護電路。此IC防止可能導致過熱的大電流。鋰離子電池組中的電池需要單獨的電壓監(jiān)控。串聯(lián)連接的電池越多，其保護電路就越復雜。注意：不要放電低于2.5V的鋰基電池，不然，就切斷電池的保護電路。

　　所有的電池都會自放電。自放電對于鎳基電池是最顯著的。通常在充電之后的第一個24小時，鎳基電池放電其容量的10%~15%，其后的放電率是每月10%~15%。Li-ion自放電在第一個24小時大約為5%，其后為1%~2%。

　　充電器

　　二次電池的充電和放電能力是用“C”表示，指示安培一小時(Ah)。實際的電池能力依賴于C率和溫度。大多數(shù)便攜電池額定為1C。1C放電汲取等于額定能力的電流。例如，1C率放電，則額定1000mAh的電池在一小時提供1000mAh。

　　可重新充電電池的性能和壽命主要依賴于充電器的質(zhì)量。一種充電器(只用于NiCd)加約0.1C固定充電率。一個較快的充電器用大約0.3C充電率可耗時3~6小時。

　　NiMH電池充電器也適合于NiCd電池，但反之不行。鋰基電池充電器需要更嚴格的算法和電壓。對于大多數(shù)鋰電池組，1C以上充電是不可能的，因為保護電路限制電路限制電池可接受的電流量。

　　Li-ion電池在達到滿充電時，每個電池都具有嚴格的電壓、電壓容限，而且無涓流或浮充電。在1C起始電流對Li-ion電池充電需要3小時左右。在達到上限電壓閥值以及電流下降和電平超過額定充電電流大約30%時，滿充電會發(fā)生。增大Li-ion充電電流對縮短充電時間會有點影響。盡管用較高的電流可更快地達到電壓峰值，但充電耗時會比較長。Li-ion電池不能吸收過充電，過充電會導致電池過熱。Li-ion恒流恒壓(CCCV)對于保證最大能量到電池而不過壓是重要的。通常，Li-ion電池對于充電、能量密度和電壓范圍提供最佳折表方案。

　　電壓穩(wěn)壓器與電池的匹配

　　電池輸出連接到電壓穩(wěn)壓器IC的輸入，電壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)負載提供穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓器芯片在電池電壓下降時能使電池基系統(tǒng)工作正常。
有3種電壓穩(wěn)壓IC拓撲用于電池基系統(tǒng)：開關模式，低壓降(LDO)和電荷泵。沒有單個電壓穩(wěn)壓器IC拓撲適合所有電池基應用。因此，對具體的應用應選擇合適的電壓穩(wěn)壓器拓撲。

　　開關穩(wěn)壓器

　　開關穩(wěn)壓器IC接收dc輸入并用脈寬調(diào)制(PWM)來控制功率半導體開關(通常是功率MOSFET)的導通和截止時間。然后，整流和濾波開關輸出，從而提供dc 輸出電壓。dc輸出部分與穩(wěn)壓的基準電壓進行比較，而任何相應的誤差信號導致PWM電路來保持恒定的輸出電壓。

　　圖1示出通常用于便攜系統(tǒng)電壓穩(wěn)壓的一個簡化、隔離開關電源。此電源是隔離的，這是因為從輸入到輸出無直通的dc通路，圖中的變壓器提供隔離。開關電源也可以是非隔離式的，這意味著輸入和輸出間存在直通的通路。開關穩(wěn)壓器的效率是一個重要的特性，特別是對于電池基系統(tǒng)而言更是這樣。對效率有主要影響的是相關的功率半導體開關，它的導通電阻、工作電流和開關速度決定效率。

　　影響效率的另一因素是輸出整流器配置。一些電壓穩(wěn)壓器IC采用外部肖特基整流器。應由快速開關功率MOSFET構成的同步整流器(圖2)替代肖特整流器，這可改善效率。


　　
　　現(xiàn)在開關穩(wěn)壓器IC工作在100KHz~2MHz，這會產(chǎn)生影響效率的另外因素。穩(wěn)壓器所采用的磁元件(電感器和變壓器 )在開關頻率必須有最小的功耗。更快的開關頻率考慮采用物理尺寸更小的外部元件，較高的開關頻率可導致較大的磁芯材料損耗。

　　LDO穩(wěn)壓器

　　LDO穩(wěn)壓器(圖3)是線性IC，其主要元件是功率半導體和差分放大器(誤差放大器)。差分放大器的一個輸入監(jiān)控輸出比率。差分放大器的第2個輸入來自穩(wěn)定的電壓基準。若輸出電壓相對基準電壓趨向于升高，則加到功率半導體的驅(qū)動改變，以保持恒定輸出電壓。

　　LDO借助輸入和輸出電壓之間的差，使IC穩(wěn)定輸出電壓。LDO調(diào)整輸出電壓直到它的輸入和輸出接近于相互之間電壓降為止。理想的電壓降應盡可能的低，以使功耗最小和效率最高。

　　LDO穩(wěn)壓器的壓降決定最低可用電源電壓。對于標定的3~5.5V輸入可標定LDO提供3.3V輸出。在150mA，100mV壓降正在變得更標準化。

　　現(xiàn)有的LDO穩(wěn)壓器可提供可調(diào)或固定輸出電壓。固定輸出型LDO的輸出電壓變化為±2%~±6%，通常提供1~5V范圍的輸出?？烧{(diào)LDO穩(wěn)壓器允許設計人員采用外部電阻器來設置輸出電壓。

　　輸出噪聲是LDO穩(wěn)壓器需考慮的另一問題。通常在寬范圍內(nèi)額定指標是微伏rms。例如，一個LDO穩(wěn)壓器在1~100KHz 范圍可產(chǎn)生100mVrms。

　　電荷泵

　　電荷泵(開關電容器)IC提供dc-dc電壓變換，是用開關網(wǎng)絡充電和放電一個或多個電容器。開關網(wǎng)絡在電容器的充電和放電狀態(tài)之間觸發(fā)。

　　如圖4所示，電容器C1穿梭充電，電容器C2保持電荷和濾波輸出電壓。

　　基本的電荷泵缺乏穩(wěn)壓，通常要增加線性穩(wěn)壓或電荷泵調(diào)制。線性穩(wěn)壓具有最低的輸出噪聲，所以能提供較好的性能。電荷泵調(diào)制(控制開關電阻)對于給定的裸片大小(或成本)能提供額外輸出電流，因為穩(wěn)壓器IC不需要包含串聯(lián)通路晶體管。

　　電荷泵的主要優(yōu)點是消除了與電感器或變壓器有關的磁場和EMI。存在的一個可能的EMI源是在輸入源或另外電容器連接不同電壓時，高充電電流流到電容器C1。穩(wěn)定的電荷泵降壓效率大于LDO，但小于電感開關穩(wěn)壓器。另外，電荷泵所需空間較小。
　　
　　選擇正確的穩(wěn)壓器拓撲

　　合適的電壓穩(wěn)壓器拓撲選擇從來自電池的輸入電壓和負載所需的電壓和電流著手。在已知這些參數(shù)后，就可開始選擇最佳電壓穩(wěn)壓器IC的進程。

　　關鍵的參數(shù)包括：

　　·最大輸出電流：電壓穩(wěn)壓器必須在所有工作條件下能提供負載所需的最大電流。一些穩(wěn)壓器可提供高達10A的電流，而另外一些穩(wěn)壓器僅給出200~300mA。

　　·最大輸出電壓：所需的輸出電壓取決于具體應用。某些拓撲可提供20V或更高電壓，而另外拓撲提供10V以下電壓。來自電池的輸入電壓也可影響電壓穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的最大電壓。

　　·效率：效率是輸出功率與輸入功率之比，效率主要影響可用的電池壽命。效率越高，壽命越長。

　　·大小和重量：物理尺寸和重量主要取決于電壓穩(wěn)壓器所需的外部元件數(shù)，電壓穩(wěn)壓器會影響電路板空間和設備尺寸。

　　·EMI：電路板布線或電壓穩(wěn)壓器中的開關電路可能引起傳導和輻射EMI。

　　電源管理

　　不同負載需要不同的電池和不同的方法來管理電池電源和負載。表1給出3個主要應用的關鍵要求。

　　關鍵的設計折衷考慮

　　電池基系統(tǒng)性能低的最佳化需要折衷考慮電池、電壓穩(wěn)壓器和負載。

　　·電池能量(安培一小時)與電池大小和重量的關系。

　　·一次與二次電池比較。

　　·熱量與處理器控制的電池監(jiān)控器的關系。

　　·電池類型與充電要求的關系。

　　·電池類型與保護要求的關系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓撲與負載要求的關系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓撲與效率的關系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓撲(功率輸出)與熱管理的關系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓撲(功率輸出)與半導體封裝大小的關系。

　　·線性與開關穩(wěn)壓器的比較。

　　·開關頻率與EMI的關系。

　　·開關頻率與電路板大小/空間要求的比較