非常見問題第218期:優化電池供電系統的電源轉換效率
答案：是的，大多數電池供電系統需要實現電池充電。本文說明如何為電池供電系統設計和優化不同的電源管理功能，介紹了一個包含電池供電電子設備所需許多功能的示例系統示意圖，還討論了電源轉換效率的不同方面。
簡介
許多系統需要電池供電。電池可用于停電時提供備用電力，但主要用于移動式設備——大到像電動汽車，小到像助聽器。在所有電池供電系統中，電源效率是關鍵。在運行時間相同的情況下，電源效率越低，電池就會越大，其成本也越高。此外，電池根據充電狀態提供不同的電壓。這就需要特殊的電源轉換器來將電池提供的可變電壓調節為系統電子設備所需的穩定電壓。如今，大多數電池供電系統采用可充電電池，而不是不可充電的原電池。這就要求系統中包含電池充電器。本文將介紹各種電池充電架構以及一些具創新性的新用例。當然，電源轉換效率是重中之重。
圖1 電池供電系統的簡化系統圖
圖1顯示了電池供電系統的系統示意圖。雖然具體的實現方案因使用場景不同而異，但通常來說，所有系統都會包含圖中所示的主要功能模塊。系統中存在某種電源電壓，它為系統供電。此連接通常需要是可切換的。如果電源是壁式交流電源轉換器，那么拔下低壓電源線與圖1中的電源開關切換到斷開位置具有相同的效果。這種電源路徑管理很有必要，旨在避免連接到電源的附加電路消耗寶貴的電池電量。另外，圖1中還有一個潛在的第二電源。通過電源開關模塊，可在電源1或電源2的功率流之間切換。例如，電源2可以是USB 5V電源。
然后，該電源經轉換后安全地給可用電池充電，以及/或者直接給系統供電。如果沒有輸入電源可用，電池中儲存的能量將通過效率非常高的開關模式電源轉換器為系統供電。
電池供電系統的電源效率
電池充電通常不需要非常高的電源效率。除了能量采集之外，大多數電池供電系統都能獲得足夠的電力來為電池充電。例如，當手機連接到充電器時，大多數人通常不會關心充電過程的確切效率。
然而，在能量采集系統中，充電期間的電源效率至關重要。最終，充電期間的更高電源效率直接導致能量采集器尺寸更小，從而降低系統成本并可縮減系統尺寸。
然而，所有電池供電系統都會重視電池放電時的電源轉換效率。在系統運行時間相同的情況下，此過程中的電源轉換效率越高，則所需的電池容量越小。
這種電源轉換級從電池產生負載所需電壓的效率，需要進一步評估。一個是滿載轉換效率，它提供了系統在標稱負載下可以運行多長時間的信息，還有一個是輕載效率，它對許多系統都很重要。這是在負載非常小的情況下的電源轉換效率。以電池供電的煙霧探測器為例，它在低負載電流的煙霧探測階段可持續運行多年，直至檢測到煙霧并發出警報。警報由高電流啟動，但此階段的電源效率與需要更換電池的時間點沒有多大關系。
當負載功耗非常低時，靜態電流IQ與效率相關。靜態電流越低越好。此靜態電流與開關方案一起決定了低負載效率。圖2顯示了使用和不使用輕載效率模式的典型效率曲線。輕載效率模式為藍色曲線，固定開關頻率模式為黑色虛線曲線。許多電源轉換電路通過這樣的模式來提高輕載效率。通常，其工作方式是停止使用恒定開關頻率，只有當輸出電壓略有下降時才產生幾個開關脈沖。在這些突發脈沖之間的時間里，電源轉換器關閉許多功能以節省功耗。這些低功耗模式在具體架構方面可能因IC不同而略有不同，但此類特殊模式始終能在輕負載下實現非常高的效率。
如圖2所示，1 mA輸出負載下的效率差異相當大。在1 mA的輕負載（甚至低至100 μA負載）下激活省電模式時，電源轉換效率為50%。在不激活省電模式的600 kHz固定開關頻率下，效率只有大約15%。
圖2 兩種情況下ADP2370降壓穩壓器的電源轉換效率:一種是激活低負載省電模式,另一種是在所有負載下均使用固定的600 kHz開關頻率
電源轉換挑戰
如上所述，電源轉換效率在電池供電系統中非常重要。電池供電系統可以選擇所有現有類型的拓撲。其中一種常用的拓撲是四開關降壓-升壓轉換器。許多系統需要3.3 V電源電壓，由單個鋰離子電池供電。這種電池提供3.6 V的標稱電壓，但在放電狀態后期，它們僅提供2.8 V至3.0 V之間的電壓。為了延長系統運行時間，我們需要盡可能多地利用電池的能量。在3.3 V系統中，當鋰離子電池充滿電時，我們需要將其電壓從3.6 V降至3.3 V。然而，當電池放電接近尾聲時，我們需要將2.8 V升壓至3.3 V。這就需要降壓-升壓電路。目前有許多不同類型的降壓-升壓電路。舉幾個例子，適用的拓撲包括基于變壓器的反激式、雙電感單端初級電感轉換器(SEPIC)和四開關降壓-升壓拓撲。通常選擇四開關降壓-升壓拓撲，因為與其他兩種拓撲相比，其電源轉換效率最高。
圖3顯示了四開關降壓-升壓拓撲的概念。
圖3 四開關降壓-升壓電源轉換器的例子,例如LT3154降壓-升壓DC-DC轉換器
使用兩個串聯鋰離子電池，而非一個電池，可以完全避免降壓-升壓拓撲。這種情況下只需要一個簡單的降壓級電源變換器。然而，我們需要為第二電池付出額外的努力和成本。此外，為兩個電池充電比僅為一個電池充電更具挑戰性。當兩個電池串聯使用時，最大電壓為7.2 V。電源轉換器需要采用更高電壓的半導體工藝，而非典型的最大5.5 V工藝。這不是問題，但DC-DC電源轉換器的半導體成本可能稍高。
選擇合適的電池充電器
市場上有許多電池充電器IC。電池充電器是一種以安全的方式提供電壓和電流，從而為電池充電的器件。選擇集成電路時，首先需要決定使用線性充電器還是開關充電器。線性充電器就像線性穩壓器，只能降低可用電壓。輸入電流大致等于輸出電流。
例如，如果耗盡的電池電壓為0.8 V，可用的系統電壓為3.3 V，則線性充電器必須降壓至2.5 V。如果充電電流為1 A，則線性充電器會以熱量形式消耗2.5 W功率。這是可行的，但如果系統電壓為12 V，功耗將是11.2 W。因此，對于充電電流較低且系統電壓接近電池電壓的應用，線性充電器是合理的選擇。
對于所有其他應用，建議使用開關充電器。市面上的大多數電池充電器IC都是開關模式電池充電器。這些屬于經典的開關電源(SMPS)器件，具有支持電池充電的特殊功能?？梢杂煤銐夯蚝懔鞒潆?，有時甚至兩者都用，并且還提供特殊功能來確保充電安全。這可以是一個定時器，用以檢測連接的電池是否有缺陷，或者可以包括一個溫度傳感器來限制充電期間的電池溫度，避免不同情況下的熱失控。還有一個頗受歡迎的功能就是電池包和電池充電器之間的安全檢查，它可監控系統連接的電池是否獲得許可。
圖4顯示了一個獨立SMPS電池充電器解決方案。其中采用MAX77985，可實現降壓SMPS電池充電器和電源路徑開關功能。電源路徑開關是大多數應用必不可少的功能。一旦電池充滿電，它就會斷開輸入電壓軌與電池的連接，以防止電池電量通過可能連接到輸入電源線的電路消耗。此外，該解決方案具有數字I2C接口，此接口可更改充電器IC的某些設置以及用于遙測目的。為使電池充電器盡可能靈活，數字接口支持設置不同的電池類型和電池大小。
圖4 MAX77985獨立電池充電器簡化電路圖
在許多不同的特性中，有一項特別值得注意。MAX77985中的集成電源開關不僅可以在降壓模式下為電池充電，還可用于將電池電壓提升到更高的系統電壓。在某種程度上，這款電池充電器是系統電源轉換器與純電池充電器的組合。
電池供電設備需要許多不同的電氣功能。有些產品僅提供基本功能，而有些產品將大多數功能高度集成在一個集成電路中。這種產品稱之為系統電源管理集成電路(PMIC)，在電池供電的應用中特別受歡迎。這有多種原因。一個原因是許多電池供電系統相當小，因而需要緊湊的系統解決方案。第二個原因是每個獨立IC都有一定的靜態電流，IC開啟或關斷時總是會消耗一些功率，這最終會耗盡電池電量。在大多數情況下，將許多不同的集成電路組合成一個PMIC器件可以降低系統的靜態電流。
在過去的20年里，高容量鋰離子電池的出現改變了電池供電系統的面貌。許多集成電路可用于對這些電池進行高效充電和放電。如今，為了提高單位重量和體積的容量，加快電池的充電速度，同時確保電池的安全性，業界正在對未來的電池結構開展大量研究。隨著電池技術的不斷發展，電池充放電集成電路的創新也將永無止境。
關于作者
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，積累了豐富的經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
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