電池基電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電池基系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在蜂窩電話、PDA游戲機(jī)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。這些系統(tǒng)需要有效的電源管理以便使設(shè)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(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

　　·性能和充電時(shí)間間隔指標(biāo)，要通過有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shí)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(yīng)消除復(fù)雜的熱管理，熱管理會(huì)增加重量和成本。

　　·電源管理系統(tǒng)最佳化的電路布線，應(yīng)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(shè)計(jì)目標(biāo)，電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)，高放電率和價(jià)格便宜。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(jià)，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH儲(chǔ)存效應(yīng)比較小。充電時(shí)，NiMH采用更復(fù)雜的充電算法并消耗一些熱量，因此，所需的充電時(shí)間比NiCd長(zhǎng)。

　　·鋰離子(Li-ion)電池：具有高能量密度而且重量輕。當(dāng)今鋰離子電池以單位重量的最大電化學(xué)勢(shì)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(shí)能提供一定的安全措施。其能量密度是標(biāo)準(zhǔn)NiCd電池的2倍。另外，它具有高容量，其負(fù)載特性是相當(dāng)好的，放電特性類似于NiCd。它相當(dāng)高的電池電壓(2.7~4.2V)使得很多Li-ion電池組只有一個(gè)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(hù)電路，保護(hù)電路在充電期間限制每個(gè)電池的峰值電壓，并阻止放電時(shí)電壓下降太低。保護(hù)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(cè)試Li-ion電池時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)有保護(hù)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(jiān)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(xiǎn)。因?yàn)長(zhǎng)i-Pol的電極是疊層式的。

　　一些電池組包含一個(gè)集成IC保護(hù)電路。此IC防止可能導(dǎo)致過熱的大電流。鋰離子電池組中的電池需要單獨(dú)的電壓監(jiān)控。串聯(lián)連接的電池越多，其保護(hù)電路就越復(fù)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(hù)電路。

　　所有的電池都會(huì)自放電。自放電對(duì)于鎳基電池是最顯著的。通常在充電之后的第一個(gè)24小時(shí)，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(gè)24小時(shí)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(shí)(Ah)。實(shí)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(shí)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(gè)較快的充電器用大約0.3C充電率可耗時(shí)3~6小時(shí)。

　　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(yán)格的算法和電壓。對(duì)于大多數(shù)鋰電池組，1C以上充電是不可能的，因?yàn)楸Ｗo(hù)電路限制電路限制電池可接受的電流量。

　　Li-ion電池在達(dá)到滿充電時(shí)，每個(gè)電池都具有嚴(yán)格的電壓、電壓容限，而且無涓流或浮充電。在1C起始電流對(duì)Li-ion電池充電需要3小時(shí)左右。在達(dá)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(shí)，滿充電會(huì)發(fā)生。增大Li-ion充電電流對(duì)縮短充電時(shí)間會(huì)有點(diǎn)影響。盡管用較高的電流可更快地達(dá)到電壓峰值，但充電耗時(shí)會(huì)比較長(zhǎng)。Li-ion電池不能吸收過充電，過充電會(huì)導(dǎo)致電池過熱。Li-ion恒流恒壓(CCCV)對(duì)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(duì)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(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓器芯片在電池電壓下降時(shí)能使電池基系統(tǒng)工作正常。
有3種電壓穩(wěn)壓IC拓?fù)溆糜陔姵鼗到y(tǒng)：開關(guān)模式，低壓降(LDO)和電荷泵。沒有單個(gè)電壓穩(wěn)壓器IC拓?fù)溥m合所有電池基應(yīng)用。因此，對(duì)具體的應(yīng)用應(yīng)選擇合適的電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洹?

　　開關(guān)穩(wěn)壓器

　　開關(guān)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(dǎo)體開關(guān)(通常是功率MOSFET)的導(dǎo)通和截止時(shí)間。然后，整流和濾波開關(guān)輸出，從而提供dc 輸出電壓。dc輸出部分與穩(wěn)壓的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，而任何相應(yīng)的誤差信號(hào)導(dǎo)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(gè)簡(jiǎn)化、隔離開關(guān)電源。此電源是隔離的，這是因?yàn)閺妮斎氲捷敵鰺o直通的dc通路，圖中的變壓器提供隔離。開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器的效率是一個(gè)重要的特性，特別是對(duì)于電池基系統(tǒng)而言更是這樣。對(duì)效率有主要影響的是相關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻、工作電流和開關(guān)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(yīng)由快速開關(guān)功率MOSFET構(gòu)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(guān)穩(wěn)壓器IC工作在100KHz~2MHz，這會(huì)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(guān)頻率必須有最小的功耗。更快的開關(guān)頻率考慮采用物理尺寸更小的外部元件，較高的開關(guān)頻率可導(dǎo)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(dǎo)體和差分放大器(誤差放大器)。差分放大器的一個(gè)輸入監(jiān)控輸出比率。差分放大器的第2個(gè)輸入來自穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。若輸出電壓相對(duì)基準(zhǔn)電壓趨向于升高，則加到功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(duì)于標(biāo)定的3~5.5V輸入可標(biāo)定LDO提供3.3V輸出。在150mA，100mV壓降正在變得更標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)人員采用外部電阻器來設(shè)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(biāo)是微伏rms。例如，一個(gè)LDO穩(wěn)壓器在1~100KHz 范圍可產(chǎn)生100mVrms。

　　電荷泵

　　電荷泵(開關(guān)電容器)IC提供dc-dc電壓變換，是用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)充電和放電一個(gè)或多個(gè)電容器。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(guān)電阻)對(duì)于給定的裸片大小(或成本)能提供額外輸出電流，因?yàn)榉€(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(diǎn)是消除了與電感器或變壓器有關(guān)的磁場(chǎng)和EMI。存在的一個(gè)可能的EMI源是在輸入源或另外電容器連接不同電壓時(shí)，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(guān)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?fù)?/P>

　　合適的電壓穩(wěn)壓器拓?fù)溥x擇從來自電池的輸入電壓和負(fù)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(jìn)程。

　　關(guān)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(fù)載所需的最大電流。一些穩(wěn)壓器可提供高達(dá)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(yīng)用。某些拓?fù)淇商峁?0V或更高電壓，而另外拓?fù)涮峁?0V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(zhǎng)。

　　·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(huì)影響電路板空間和設(shè)備尺寸。

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

　　電源管理

　　不同負(fù)載需要不同的電池和不同的方法來管理電池電源和負(fù)載。表1給出3個(gè)主要應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

　　關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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(fù)載。

　　·電池能量(安培一小時(shí))與電池大小和重量的關(guān)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(guān)系。

　　·電池類型與充電要求的關(guān)系。

　　·電池類型與保護(hù)要求的關(guān)系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c負(fù)載要求的關(guān)系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c效率的關(guān)系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓?fù)?功率輸出)與熱管理的關(guān)系。

　　·電壓穩(wěn)壓器拓?fù)?功率輸出)與半導(dǎo)體封裝大小的關(guān)系。

　　·線性與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較。

　　·開關(guān)頻率與EMI的關(guān)系。

　　·開關(guān)頻率與電路板大小/空間要求的比較