以单颗碱性电池做为便携式产品电源

体积向来是便携式应用的关键要素，由于这类产品多半以电池来供应电力，故电池大小以及电池数目自然会对产品的体积与外形造成极大影响。由于传统电池不需要充电器，因此可以降低设计成本，产品也能随时使用，不必每隔一段时间就放回充电座重新充电。这类产品大都使用三号或四号碱性电池，每颗碱性电池的供电范围从0.9V至1.6V。然而数字电路至少需要1.8V电压，而其它高精准度的模拟电路更需要3V以上的电源才能顺利操作。因此若应用产品仅使用一颗碱性电池来供应电力，工程师就必须以体积小而效率高的直流电源转换器做为电池电源界面，由它将较低的输入电压转换成较高输出电压。为了满足这些需求，设计人员通常会选择TPS61070之类的同步升压转换器来担任直流电源转换器。图1就是TPS61070的典型应用。

图1：TPS61070的典型应用(点击放大图片)

电池特性通常以固定电流放电曲线表示，然而控制器或传感器等应用却可能要求直流转换器提供固定电压，此时电池就必须以固定功率的方式提供电力。换言之，随着电池电压在放电过程中逐步下降，电池电流就必须逐渐增加；比方说，当碱性电池的电力用尽时，其电流可能升高至新电池的两倍。图2是四号碱性电池以100mW固定功率放电时的开路电压和电池电流；从图中可以看出电池电流在刚开始放电时约为75mA，等到放电结束时已升高到将近150mA。

图2：放电过程的电池电压和电池电流

电池本身也有阻抗，其大小在电池电力用尽前都不会有太大改变。我们利用和图2曲线相同的方式来决定电池的串联阻抗，其结果如图3所示。从图中可以看出放电刚开始时的电池阻抗约为300mΩ，等到放电结束时会增加到750mΩ左右。

图3：放电过程的电池电压和电池串联阻抗

当直流转换器输出端连接负载时，电池电流或电压的升高都会造成转换器输入端的电压降增加。图4是供应电力给负载时的电池开路电压以及转换器输入电压，从图中就能明显看出两条曲线的差异会随着电池放电而逐渐扩大。

图4：无负载和100 mW负载时的电池电压抗

从图2、3和4还能看出电池电压在放电快结束时会大幅下降，这就表示电池两端虽仍有电压，却已无法继续提供电力。电池电压会随着直流转换器输出端是否连接100mW负载而有所不同，而且电池剩余电力越少，两者之间的相差值就越大。若电池电压在无负载时下降到1.0V以下，就表示无法再从其中取出电力；因为只要接上负载，电池电压就会立刻下降为0.8V，迫使应用将电源切断以避免出现漏电现象。然而这种电路设计却有很大的潜在风险，因为电池电压会随着直流转换器有无连接负载而出现极大差异；此时转换器会因为电池电压不足而切断电路，但当电路切断后，电池电压又因为没有负载而上升，导致直流转换器重新激活供电。由于转换器输出电压虽大于电池电压，却又小于应用正常操作所需的电压，所以这个过程将不断重复，造成转换器输出电压不停改变，甚至可能对产品造成损害。TI的TPS61070则能解决这个问题，其内建的电压过低锁定功能(UVLO)可在输入电压低于0.8V左右时将组件锁定，直到电压升至1.0V以上才会重新工作。

激活过程的输入电流也必须加以限制，因为激活电流若远大于正常操作电流，电池电压降就可能超出正常操作时的电压降，使得直流转换器的输入电压过低而无法激活，这种情形在电池电力快用尽时最容易发生。要解决这个问题，设计人员可以等到供应电压上升到某个程度时再连接负载，同时使用TPS61070之类能于开机时限制输入电流的直流转换器。

作者：Jurgen Neuhausler