由於當今半導體技術的發展比電池技術更加迅速，電源管理設計是使使用者深切感受到產品優劣的關鍵所在。除了安全性、成本和尺寸外，將電池的執行時間最大化並延長其使用壽命，對於電池供電應用的系統設計來說也是極其重要的。隨著用於驅動可攜式應用的電池技術不斷增多，需要選擇合適的方法來對可充電電池進行放電和充電。本文首先回顧適用於可攜式應用的一般電池策略，然後將討論採用當今整合解決方案的電源管理和電池管理電路設計。
主要的電池技術
電池技術可簡單地分為兩類：不可充電型和可充電型。不可充電電池在使用一次後即廢棄，稱為一次性電池。鹼性電池是最常見的家用一次性電池。市面上也有鹼性可充電電池，但不在本文的討論範圍內。典型鹼性電池具有大約1.5V至1.65V的浮動電壓，標稱電壓為1.2V，壽命結束時的電壓為大約0.9V。單顆鹼性電池壽命結束時的電壓可低至0.7V－0.8V，具體取決於負載電流。表1展示了一些常見的鹼性電池配置。某些應用可採用多種配置，具體取決於產品外形、系統要求、可用解決方案和功耗預算。
例如，某種無線光學滑鼠解決方案的工作電壓範圍是1.8V至3.2V。該滑鼠使用2顆串聯配置的鹼性電池便可正常工作，無需附加穩壓電源。如果需要極其緊湊的滑鼠設計，則2顆AA/AAA鹼性電池可能不適用。在這種情況下，可使用單顆AA/AAA鹼性電池來減少所占空間，但需要用升壓轉換器將電壓升至1.8V。
表1：鹼性電池配置的比較
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鹼性電池配置 |
工作電壓範圍(V) |
5V功率傳輸電路 |
3.3V功率傳輸電路 |
1.8V功率傳輸電路 |
功率調整拓墣 |
應用示例 |
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1S |
0.9 – 1.5 |
升壓式 |
升壓式 |
升壓式 |
電荷幫浦、 轉換交換式 |
無線滑鼠、AM/FM 收音機和玩具 |
|
2S |
1.8 – 3.0 |
升壓式 |
升壓式 |
降壓式 |
LDO、電荷幫浦、轉換交換式 |
無線滑鼠、雷射筆和玩具 |
|
3S |
2.7 – 4.5 |
升壓式 |
降壓—升壓式 |
降壓式 |
LDO、電荷幫浦、轉換交換式 |
遙控器和玩具 |
|
4S |
3.6 – 6.0 |
降壓—升壓式 |
降壓式 |
降壓式 |
LDO、電荷幫浦、轉換交換式 |
對講機和玩具 |
可充電電池被認為是二次電池，每次使用後都可將電量盡可能恢復到原始狀態，直至電池壽命結束。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）為例進行說明。鎳氫電池是很好的鹼性電池替代品，因為其外形和工作電壓範圍與鹼性電池類似。傳統鎳氫電池的一個缺點是自放電率高（每月約20%，如表2所示），但有一家技術領先的電池製造商已克服了這一難關，其推出的鎳氫電池系列在生產12個月後仍可保持至少85%的電容量。恢復鎳氫電池的電量有簡單且低成本的解決方案，但採用雙重截止充電方法（通過充電電流和工作環境來指定）的嵌入式充電器將獲得最佳性能。雙重截止充電方法結合了溫度隨時間升高和電壓隨時間降低（或不變）的特性。
表2：電池化學性能的比較
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電池化學 性能 |
標稱 電壓(V) |
開路電壓(V) |
能量密度/重量 (W-hr/Kg) |
能量密度/體積(W-hr/L) |
自放電百分比/月(%) |
生命週期 |
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鹼性 |
1.2 |
1.6 |
145 |
400 |
0.3 |
1 |
|
鎳氫 |
1.2 |
1.3 – 1.5 |
60 - 120 |
160 - 230 |
20 - 30 |
500 |
|
鋰離子/鋰聚合物 |
3.6 |
4.2 |
110 - 160 |
210 - 320 |
3 - 5 |
1000 |
鋰離子電池目前被認為是成熟的電池技術，已廣泛應用於行動電話和汽車等領域，因為與十年前相比，其生產成本更低且性能更好。在設計多顆電池系統時，單顆標稱電壓為3.6V的電池具有巨大優勢，可減少2/3的電池顆數。鋰離子電池在品質和體積上的高能量密度使其適用於多種可攜式應用，例如個人媒體播放機或無線藍牙（Bluetooth®）耳機。但是，需要提供保護電路，以將鋰離子電池可能導致的危險（例如過充或過熱）降至最低限度。鋰離子電池的使用壽命相對較長（可充電500－1,000次），如果每天都對電池充電，在1至2年後才需要更換。設計合理的鋰離子電池電源管理系統將延長電池使用壽命，並提高整個系統的可靠性。
電池供電應用中的積體電路（IC）
除了系統的主晶片組（如果含有的話）外，現代電池系統設計通常至少含有以下積體電路（integrated circuit，IC）中的一種：
- 電源管理單元（Power Management Unit，PMU）
- 微控制器單元（Microcontroller Unit，MCU）
- 電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）
本部分將討論這些IC以及如何選擇適當拓墣以延長電池執行時間並達到設計目標。
PMU在系統中提供調整後的電壓或電流。某些穩壓功能整合在主晶片組內。但是，由於佈線複雜性、EMI問題和性能不足（包括電源輸出通道數不夠或負載能力不足等），仍需要單晶片式轉換器。單晶片式電壓轉換器可提供單個或多個輸出。
電池供電應用常用的功率調節拓墣包括但不限於線性穩壓器、交換式電容穩壓器和電感交換式穩壓器。所有這些拓墣的功能都是一樣的，即在設計的電流範圍內對輸出電壓進行穩壓（如直流－直流轉換器），或在指定的電壓範圍內調整電流（如LED驅動器）。每種拓墣可能都需要單獨一篇文章來進行介紹。本文重點介紹電源管理設計的基礎知識。
在選擇穩壓器時，很容易想到低壓差穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）。LDO的EMI問題最少，並且需要的外部元件數通常也最少。
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，
η = VOUT / VIN 公式4
圖1演示了LDO的效率。如果輸出電流遠大於靜態電流（IQ），則可以忽略IQ。對於線性電路，輸入電流等於輸出電流與靜態電流之和。因此，效率可簡化為輸出電壓除以輸入電壓，如公式4所示。在電池供電設計中，IQ非常重要，因為待機時間將決定更換一次性電池的頻率或對二次電池進行充電的頻率。延長待機時間的方法之一是選擇低IQ元件。
圖2展示了兩種LDO（MCP1700與TC1017）的效率比較圖。負載電流很小（如100 µA）時，MCP1700 LDO的效率比TC1017高25%。但是，在負載電流超過10 mA後，兩種元件間的差異便不是很明顯了，如圖1所示。此結果也證明了公式4。
圖1：LDO效率與輸出電流的關係
儘管低IQ可延長待機時間，但也存在與此相關聯的性能下降問題，例如對線路瞬變和負載的回應時間變長，以及對電源雜訊的抑制能力變弱。圖2展示了一個負載響應時間的示例。圖2的結果表明，如果性能對於設計很重要，不容有任何損失，那麼在不提高成本的情況下，很難保持較低的IQ。克服此障礙的另一種方法是選擇具有關機或待機功能的元件。例如，MCP1802 LDO工作在10 kHz時的電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）高達70 dB，但其只消耗25 µA的靜態電流。處於關機模式時，MCP1802 LDO僅提供10 nA的典型待機電流。這一便利的功能有助於在系統關閉時將功耗降至最低。交換式穩壓器和MCU等元件可採用相同的理論來延長待機時間。
圖2：MCP1700與TC1017的LDO負載階躍響應比較
交換式電容穩壓器也稱為電荷幫浦。此概念包括倍壓器、分壓器、負壓發生器和直流－直流穩壓器等。為了將電荷幫浦用作穩壓器，元件通常先將電壓倍增，然後將穩壓後的電壓送至所需輸出。當輸入電壓與輸出電壓之間的差異較小時，轉換過程中會有能量損失。因此，可使用多級電荷幫浦來幫助提高效率。
圖3a和3b展示了MCP1256系列的雙模式電荷幫浦操作。
圖3a：MCP1256/7/8/9電荷幫浦的1.5X能量傳輸操作
圖3b：MCP1256/7/8/9電荷幫浦的2X能量傳輸操作
充電階段完成後，傳輸階段開始。此階段將能量從快速電容傳輸至輸出。MCP1256/7/8/9元件會自動在1.5X模式與2X模式之間切換。這決定了在能量傳輸至輸出後，快速電容是改為並聯（1.5X模式）還是保持串聯（2X模式）。傳輸模式決定了閉合哪些交換式以進行傳輸。
圖4：MCP1256/7/8/9電荷幫浦效率與VIN的關係
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x 1.5 x IOUT = V OUT / VIN x 1.5 公式5
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x 2 x IOUT = V OUT / VIN x 2 公式6
公式5用於計算1.5X工作模式下的效率，而公式6用於計算2X工作模式下的效率。圖4顯示了多級電荷幫浦的模式轉換和特性。隨著負載的增加，最小輸入電壓也會增加。因此，實際的最小輸入電壓與所需負載電流相關聯。輸入接近於輸出時，1.5X工作模式可提高效率。
相似的多工作模式概念同樣適用於直流－直流轉換器。圖5展示了典型升壓轉換器的應用電路。除了脈衝頻率調變（Pulse Frequency Modulation，PFM）和脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM）模式外，轉換器還可工作在旁路模式下，以將特定情況下的不必要功耗降至最低。
圖5： MCP1640電路配置（6接腳SOT-23封裝）
\微控制器（MCU）對延長電池壽命也起到重要作用。現在的MCU廠商不僅致力於最大化處理速度，而且還在不斷嘗試在性能與功耗之間找到平衡點，尤其是在電池供電應用中。由於當今元件所需電晶體數不斷增加，傳統休眠模式已無法再滿足現代系統設計人員與消費者的需求。許多MCU廠商嘗試提供深度休眠模式來滿足這些需求。
典型MCU功耗主要分為兩類——靜態功耗和動態功耗。電晶體的洩漏功耗為靜態功耗。動態功耗發生在運行時。nanoWatt XLP是一項可採用的技術，旨在提供比上一代休眠方法更長的電池壽命。Microchip 公司的nanoWatt XLP技術可為低壓重置（Brown-out Reset，BOR）、即時時鐘/日曆和看門狗計時器提供更小的電流。
表3顯示了各類具有深度休眠模式的MCU，該模式可提供更長的待機時間，並且可以很好地與前文所述的電源管理IC配合工作。
表3：深度休眠模式MCU示例
|
XLP PIC® MCU 系列 |
快閃記憶體 KB |
接腳數 |
休眠電流 (nA) |
深度休眠電流(nA) |
WDT* (nA) |
RTC* (nA) |
1MHz運行 (µA) |
|
PIC18F46J11 |
16-64 |
28/44 |
54 |
13 |
813 |
813 |
272 |
|
PIC18F46J50 |
16-64 |
28/44 |
54 |
13 |
813 |
813 |
272 |
|
PIC24F04KA201 |
4 |
14/20 |
25 |
20 |
370 |
470 |
195 |
|
PIC24F16KA102 |
8-16 |
20/28 |
25 |
20 |
420 |
520 |
195 |
|
PIC24FJ64GA104 |
32-64 |
28/44 |
200 |
20 |
520 |
520 |
250 |
|
PIC24FJ64GB004 |
32-64 |
28/44 |
200 |
20 |
520 |
520 |
250 |
*WDT和/或RTC欄下的數值包括基本休眠電流。
圖6：電池壽命估算器GUI示例
為幫助設計人員估算電池執行時間，MCU廠商提供了可根據輸入資訊來計算電池可能壽命的工具。利用估算器工具，產品設計人員可確定適合目標應用的電池，並瞭解如何通過所選元件將執行時間最大化。圖6中所示的nanoWatt XLP電池壽命估算器即為此類工具之一。
恢復可充電電池的電量有多種不同方法。嵌入式充電系統的靈活性最高，而分離式充電管理單元可實現緊湊設計。當然，總是存在不用管理充電過程的低成本方法。我們不建議使用這種方法，尤其是分立式IC現在已經非常便宜的情況下。現代充電管理系統採用各種各樣的充電方法為鎳氫或鋰離子電池充電。圖7展示了典型的電池充電管理系統IC，該IC需要最少量的外部元件，有助於減少設計尺寸和成本。在將IC出貨給產品製造商之前，所需功能已在IC供應商工廠內完成內置和預設。此IC包括1至2 顆鋰離子和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，其整合參考電壓範圍為3.6V至9V。具有可選截止電流比的CC-CV工作模式將滿足各種需求。
圖7：典型充電管理IC的電路圖
許多公司和研究機構正在開發磷酸鐵可充電鋰電池。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池已開始在可攜式應用中嶄露頭角，原因是其可充電次數多（通常為1,000－2,000次）、溫度範圍廣且穩定耐用。迄今為止，磷酸鐵鋰電池尚無適用的標準。例如，參考充電電壓範圍為3.6V至4.1V。因此，不同製造商生產的磷酸鐵鋰電池的性能也各不相同。磷酸鐵鋰電池具有與鋰離子電池相同的CC-CV充電演算法。
為滿足某些地區的安全要求，分立式電池充電管理器件提供了輸入電壓保護、電池短路保護、預充電計時器、耗時計時器和錯誤指示燈等功能。
結論
可攜式產品仍在改變人們的生活方式。但是，仍然很難在不增加元件尺寸和重量的情況下保持產品長時間運行。對於低功耗設計，所有相關元件（從類比元件到數位單元）都必須滿足設計的電流預算。除了選擇低供電電流元件外，建議設計人員在保持性能等級的同時，儘量利用各種省電技術，例如基於負載的多模功率轉換設計、輸入至輸出旁路設計以及待機等等。
本文提及的電池特性和參數僅供參考。在啟動任何電池供電專案前，產品設計人員都應諮詢電池製造商。
