便携式设备电池管理策略与应用设计

作者：谭磊
中国北区应用工程师经理

Liu Rui
便携产品部产品定义及应用总监

美信集成产品公司

Q1：如何检测电池电压？

在我的应用中，需要动态地检测电池的电压。而我的系统限制只能提供一个数字I/O。请问我如何才能有效的检测该参量？

A1：从工程角度讲，我建议你增加一个可以利用单个I/O通信的器件来实现电池电压测量等功能的芯片，如Maxim的1-wire电池管理器件DS2762或ADC芯片DS2450。

做为技术的讨论，如果这个数字I/O是唯一的资源、系统有计时器可用和打算在软件上花些功夫，还是有可能粗略测量电池电压的。具体的做法与能提供的I/O输出的逻辑电平有关，要用到输出和输入两个状态。这个方法需要用输出0电平和电源电压为电压标准值，用输入的甄别门限Vt作电压检测。

测量时首先把I/O设为输出逻辑0(Vz)，通过一个电阻R1使一个电容C上的电压下降到比I/O当作输入时的逻辑高电平门限值还低的初始值，这个电容通过R2与拟测量电压E的电池上。平衡后电容上的电压VC即Vz和E的压差经过R1和R2电阻串的分压结果。这个I/O除了通过R1与这个电容相连外，还需要通过一个电阻RV上拉到电源电压。然后把I/O从输出改变为输入，同时开始计时。由于RV的上拉作用，电容上的电压将逐渐上升。待I/O输入看到的电压上升超过高逻辑电平时，停止计时。这个过程中计时器所计到的持续时间T与Vz，E和Vt有关（但不是直线关系）。做为逻辑器件，Vz、Vt都不会很稳定，因此这个办法只能得到非常粗略的电压值。

Q2：自恢复保险丝与一次性保险丝怎样选择？

相对于一次性保险丝而言，自恢复保险丝可靠性较差，响应时间较长，而且额定电流做不高；为什么目前的电源设计中多采用自复保险丝？是不是行业标准或者国家标准建议使用？

A2：首先，也不是所有一次性保险丝都快，例如砂管保险丝就慢得很。如果我为电源产品选择保险丝，只要功率不是很大，我会选自复保险。最主要的原因是不会因为意外损坏招致退货或者返修；如果连自复保险都烧坏了，客户大概也不好意思找我了。其二是自复保险丝的连续运行寿命长，基本不存在影响实际应用的老化。对于中小功率电源，基本上其电路元件都有足够的裕量和内在的限流机制，等着自复保险断路是没有问题的。较大功率的恐怕是不行的，如果不做考虑、短路浪涌就可能烧坏很多部件。另外，从机理上看，如果电流太大，接触分离的过程就很可能烧毁自复保险。

我不能确定你讲的可靠性差是不是也包括了动作电流不准、断流不彻底等问题，还是只是失效率高。我估计前两项是受其工作机理限制，应该是赶不上一次保险丝的。失效率高的问题不应该，如果与其发热有关、至少可以通过选大一点的动作电流可以改善。

我没有见过规定采用自复保险的标准，只是有些标准规定了发生过流时的动作或是不是要自复。如果要求有自复功能，肯定选自复保险要比自复电路来的便宜。

Q3：电池保护电路， 对于电池保护板的测试如何进行？需要什么仪器设备？

A3：测试需按生产过程品质保证和设计特性验证两个方向设计；其中一个侧重产能效率和关键参数，另外一个则以实用、全面为目标。一般更需要关注生产测试设备；如果贵公司计划大量生产，最好是自制若干专用装置配合一般标准设备（直流电源、数字面板表）即可高效率地完成生产测试。可由自制设备完成电压、电流的简单扫描以及触发电压、电流的短时间保持和显示即可（此处考虑测量2个电压门限、1或2个电流门限和耐压能力）。

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Q4：关于多串电池提前报警问题。

我是做锂电池保护回路的，我想问下专家现在有没有对多串锂电池保护和容量低时提前报警的IC，因为现在锂电池保护IC中多是只针对锂电池保护设计，没有考虑到用户使用时提前报警的问题，我想寻找一款能在单体电压保护前就能提出报警的IC。

A4：可以肯定地讲，目前没有这样的芯片。

目前可以提供类似功能的通常是一些“系统”，而不是芯片。形成这个局面的原因一方面与锂2电池排的“高贵”历史有关，另外一方面也与电池残余电量估测的复杂性有关。锂2电池的放电量与包括温度、放电电流在内的放电条件，短期历史表现均有很大关系；需要不断的自修正方可比较有效地估算残余电量。这样的系统在笔记本和高档PDA里面都可以见到。基本上的方法都是采用电量计配合参数修正的办法，如OCV修正法等。

Q5：请问对于两节干电池的升压芯片都有哪些？

我现在做得一个系统，用两个干电池供电3V，但是其它部分还需要5v、12v的电源，电流可以小点，能否提供一些常用的芯片呢？

A5：用2节干电池产生3V的条件比较特别；新电池开始使用时有一段时间需要降压，以后的大多数时间里要进行升压。选择一个电源组合还需要更多的参数，如对输出电压稳定性的要求、效率（即预期负载条件下的工作时间是多少）和尺寸限制等。从成本、效率综合来讲，MAX711是3V输出电源的一个选择（可从1.8V起工作）。另外两组电源的选择余地较大，如MAX1677、MAX1817等都可以。如果5V或12V要求的输出电流畸小，或者某组输出对稳定性的要求不高，还可以考虑其它的组合解决方案。

Q6：采用碱性电池供电的超低功耗LDO电路设计咨询。

大家好，我们现在设计一款产品，需要采用四个碱性电池供电驱动小电机，并采用一个LDO降压给芯片使用。其中电池电压是6V左右，IC电压是3。3V，现在选用了一款GM6250的LDO，他的待机电流是1uA，那么我们应该选用什么样的电容，保证小电机启动瞬间不会造成LDO输出过大的波动，以及保证纯粹休眠待机时候漏电最少。我们希望电容漏电也就1uA左右吧，小电机启动瞬间工作电流有1A，然后快速下落到200ma左右。

A6：电容漏电不是问题，几乎任何一般的电容都不会有太大的漏电。但是电容大了以后LDO会不稳定。靠加电容解决不了电压下降的问题，只有巨大的容量可能背的起来1A的堵转电流。一般是山不转水转，如果背不动电机就转而使那些对电压变化敏感、但电流不大的其它部分的电压不要受到堵转期间电压下降的影响，而放任电机部分的电压下降一段时间。

Q7：请问两组dc to dc Converter各应用于正及负电压输出(同一输入电源)要如何应用

A7：如果选择两个分离的芯片实现这两个电源，则正电源的可选范围大得多、基本上可认为是很常规的。空间不是很大的情况下，如果不能同步两个电源、则这两个电源从前一级吸入电流总量的起伏与这两个电源的频率之间的差频有关，可以看到明显的“差拍”起伏。这种差拍如果落在百到数十千周的范围内，则难以由前级电源和储能电容消化。这两个电源中至少一个应该是可同步的，需要跟踪另外一个电源的频率。两个电源还应该做到错相配置，使他们不会在同一个时间从电源吸取电流、以减少对源端滤波的要求。这牵涉到另外一个要求：从系统上电顺序和安全的角度出发，那个电源更需要保证持续（主从性）？

的确，Fly-back架构在变压器方式中是比较简洁的。但是不是采用Fly-back架构还与其它条件有关。上次少问了一个问题：那个28V是稳定的吗？看起来这两个电源像是一个系统中的下级子电源，有可能该28V是可以保证的。如果该28V是可以保证的，则最简单的方式是自制一个变压器驱动器、利用变压器产生略大于+/-15V的非稳压DC，然后利用线性稳压器产生稳定的+/-15V。对于15V的输出来讲，2-3V的压降对效率的影响不大。

可以肯定，正电源用一般的Buck结构不会有问题。但对于负电源来讲，从+28到-15V的电压变化幅度很大、电流也不小，实际设计的难度不低。一般可见<1A的基于电感的Inverter具体实践。我建议在负电源侧考虑Fly-back结构。

还有一个问题：你肯定制变压器吗？

待明确正负电源的主从性和28V的条件后，我们再来讨论可以有哪些选择。

MAX1654是一个不错的选择，只用单个控制器和一对开关管就可以实现两路受控制的输出。其不足是并不是错相的，同时全部能量首先需要注入到+15V点输出电容，让后将一部分再转移给-15V输出。这样对输入和+15V的储能、滤波要求会高一些。但由于只使用了一对开关管，又是同步整流结构，整体的效率和成本在这个功率上还是有竞争力的。还有一点就是需要调整反馈和过流保护部分的采样电路，以使其适应+/-15V的输出(Datasheet上提供的电路是<6V的)。

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Q8：USB充电时，USB的中间两个管脚的接法

单节锂离子电池升压到5.3V后，使用的的升压芯片是SP1308，但是在给其他带设备供电时，保护电路里的mos管发热过大。USB的中间两脚我是让它们处于悬空状态。在进行USB接口的充放电时，中间的信号脚如何接呢？

A8：看起来你说的是好几个问题；第一个问题是不是讲，当利用锂2电池通过升压芯片SP1308对外提供5.3V电源时、保护电路里的MOS管发热严重？我相信你一定是讲超乎寻常地发热；如果只是正常由于电流过大发热，大概你就不会当个问题提出来了。我没有找到SP1308的Datasheet，也不好判断是不是其转换效率有问题。另一个需要提醒你注意的是不要让瞬态大电流脉冲流过电池，这除了引起异常发热外、对电池寿命也极其不利。

第二个问题比较复杂，与你做了个什么东西关系很大。有关的标准有YD T1591-2006，USB Charger 2.0， USB 2.0， OMTP， USB OTG等，都可以从网站上查到。如果你要做的是USB的手机充电器，短接那两条线就是了（似乎不像你说的产品）。

Q9：镍氢电池的放电终止控制。

我们现在有一个项目，12V电池组，平均放电电流5-8A，峰值10A，EOD：9V，要求做放电终止控制，但问题是，静态功耗可以达到多少？因为电池可能发货后，经过很长时间，如果静态电流太大，会造成电池过放电。

A9：总体上看，NiHM的自放电率是比较高的， 最好也就是起标称Ah容量0.001-0.002%。过放保护终止电路的静态功耗（电流）可以参考自放电电流设计（如果比自放电小得多没有实际效果）。从你的电池看，几十uA的静态电流不会有问题。

MAXIM有很多基准+比较器组合可以工作在1-2uA，慢速（基本上是静态）驱动NMOS或PMOS均不需要太大电流。再小心设计供电环节的耗电，这个电路应该可以做到<10uA。

Q10：充电器和电池保护电路的融合已经实现了吧!

很多家公司都称自己的充电控制IC是集成方案，带智能保护。为什么专家还拿出来讨论，称部分融合，难道还需额外的保护电路

A10：的确，包括MAXIM在内的许多家公司都有这种带有保护功能的产品。实际的融合的困难不在于电路设计，而在于对安全管理的尊重和行业分工习惯的延续。设计和制造带有滇池保护功能的芯片很容易，甚至也可以做到在同一个硅片上实现保护部分和充电控制部分的单点故障安全。但即使是这样做了，与由电池厂家在电池内部配制独立的保护电路比较也没有多大的成本优势。只有小电池和少量的不允许用户换电池的应用在使用没有内置保护电路的电池。从行业分工看，采用带有内置保护的电池包将由电池厂负责电池包的安全设计，责任划分清晰。如果把充电及保护一体化到一个芯片里，则这个芯片与电池的安装关系需要保证靠近和不可被轻易改动，基本上需要放到电池包里。这将带来散热、通用性以及与通用性有关的成本控制等一系列问题。电量计与保护电路的融合的实际推广高于充电器与保护电路的融合，而利用电量计可以完成充电的判决功能、可以认为是一种部分融合。

Q11：单节电池保护芯片。

请问保护芯片中功耗的问题有多重要呢？什么才是设计中最重要的问题呢？在单电池保护芯片的设计中，您认为应该注意哪些问题呢？

A11：尽管听起来不是设计人员所关心的，我不得不承认低成本设计是真正的问题。欠压、过压和过流（充/放）的设计要求及实现是明确的，需要注意的是在电压较低时如何保证廉价MOSFET的有效导通、是否或如何提供电流的比例输出。

电流比例输出目前尚未成为惯例，但是从长远看这个比例输出可降低系统成本。由于牵涉到的设计人员层面太多，推动使用这个比例输出的成本和回报不成比例，从商业角度出发，恐怕需要留给那些大腕儿公司或理想主义者先行。

Q12：衡量保护及计量管理芯片的计算准确性哪些确切指标

各个厂商都说自己东西好，有这有那的专有技术。请教专家有哪些公认的指标或对比方法啊

A12： 对保护电路的衡量比较简单，一般看静态的动作关键点，例如过压、欠压和过流的动作点；其中过压还要看其温度系数如何。在讲究一些要验证其瞬态相应的情况和抗过压能力；但这不需要太精确（一般化学过程的时间很长，如10ms， 因此动作慢些不会是问题）。实际上真正有意义是比较在低电压时保护电路的导致的电阻增加。这方面性能最好的是带有可根据负载情况启动电荷泵、推动NFET的保护电路，但由于成本不具优势、实际没有广泛使用。另外还可以观察在低电压充电时是否有连续打嗝动作。负责任地讲，很难确切评价电量计及其计算。

首先得把电量计硬件和残余电量计算分割开评价。就硬件讲，可对比的内容比较明确，包括：潜流门限、静态和动态耗电（与电流采样方案有关）、采样的密度和自主工作计数器的配备（牵涉到是否频繁需要主机支援以及是否可粗略按放电电流和温度分段进行电量积分）。

在有了合适的硬件之后，软件是否能真的利用硬件采获的数据也是个很大的挑战。电池从制造完成就开始一点点偏离其原始参数，能否有效地提供参数修正对残余电量计算的有效性至关重要。从目前资料看来，可以支持OCV算法的电量计的实用性和效果最好。

（未完，全文见：实用电源设计Q&A系列之十三：便携式设备电池管理策略与应用设计 ）