【導讀】許多系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(jié)為系統(tǒng)電子設備所需的穩(wěn)定電壓。如今，大多數電池供電系統(tǒng)采用可充電電池，而不是不可充電的原電池。這就要求系統(tǒng)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(chuàng)新性的新用例。當然，電源轉換效率是重中之重。
問題：
電池供電系統(tǒng)需要電源管理系統(tǒng)嗎？
答案：
是的，大多數電池供電系統(tǒng)需要實現電池充電。本文說明如何為電池供電系統(tǒng)設計和優(yōu)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(tǒng)示意圖，還討論了電源轉換效率的不同方面。
簡介
許多系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(jié)為系統(tǒng)電子設備所需的穩(wěn)定電壓。如今，大多數電池供電系統(tǒng)采用可充電電池，而不是不可充電的原電池。這就要求系統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)的簡化系統(tǒng)圖
圖1顯示了電池供電系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)都會包含圖中所示的主要功能模塊。系統(tǒng)中存在某種電源電壓，它為系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)供電。
電池供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)成本并可縮減系統(tǒng)尺寸。
然而，所有電池供電系統(tǒng)都會重視電池放電時的電源轉換效率。在系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xù)運行多年，直至檢測到煙霧并發(fā)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(tài)電流IQ與效率相關。靜態(tài)電流越低越好。此靜態(tài)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(fā)脈沖之間的時間里，電源轉換器關閉許多功能以節(jié)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(wěn)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(zhàn)
如上所述，電源轉換效率在電池供電系統(tǒng)中非常重要。電池供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(zhàn)性。當兩個電池串聯(lián)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。可以用恒壓或恒流充電，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(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)電壓。在某種程度上，這款電池充電器是系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)相當小，因而需要緊湊的系統(tǒng)解決方案。第二個原因是每個獨立IC都有一定的靜態(tài)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(tǒng)的靜態(tài)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(tǒng)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(yè)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(fā)展，電池充放電集成電路的創(chuàng)新也將永無止境。
（來源：ADI公司，作者：Frederik Dostal，現場應用工程師）
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