如何設(shè)計(jì)便攜式應(yīng)用的電池

不僅是便攜式娛樂(lè)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(lái)說(shuō)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(wú)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(wú)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(lái)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(shuō)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。恢復(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(guò)充電電流和工作環(huán)境來(lái)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(wú)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(guò)充或過(guò)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(wèn)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(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器和電感開(kāi)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(lái)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(wèn)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。