以优秀的电源管理系统推动消费电子智能化

手机、MP3播放机、数字相机、手持式视频游戏机……清单可以列得很长很长。电池供电系统无处不在。这些应用得以快速增长的原因之一是市场上可以提供支持日益复杂电子系统的电池和电源管理IC。图1显示了电池供电系统中典型的电源管理子系统。

为了在系统中发挥有效作用，这些电源管理子系统必须具备以下特性：1）在最小化电池尺寸和重量的同时，最大化实际运行时间；2）在限定的输入电压范围和负载电流下，提供合适的稳压输出电压；3）最小化相关元器件的总空间和总重量；4）最小化散热量，以消除对复杂热管理电路的需要，因为它要增加体积、重量和成本；5）将电磁干扰(EMI)降至最低；6）最大化系统的可靠性。

电池选择

为满足上述设计目标，我们从电池开始电源管理子系统的设计，它可以是非充电一次电池或可充电二次电池。一次电池包括碱性电池和锂离子金属电池。镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池、锂离子(Li-ion)电池和锂聚合物(Li-pol)电池是最常见的可充电电池。

锂离子电池单位重量提供了最大的电化电势和最高的能量密度。如果在充电和放电时满足一定的注意事项，它们也很安全。锂离子能量密度大约是标准NiCd电池的两倍。除了大容量，其负载特性相当好，且就放电特性而言它很接近于NiCd电池。再有，其相当高的电池电压(2.7至4.2V)支持单节电芯电池组。

操作测试锂离子电池时要小心：不要短路、过充电、重压、掉落、毁伤或剌穿电池；不向电池施加相反的电极，不要将电池暴露于高温或拆卸电池；最后，使用时始终采用其特定的保护电路。

Li-Pol锂聚合物电池与Li-ion锂离子电池在制造工艺、坚固性、安全性和薄几何外形状方面有所不同。与锂离子电池不同，锂聚合物电池具有比传统锂离子电池封装更简单且外形更薄的特点。

AC适配器

AC适配器是对便携系统电池进行充电的一种高性价比能量来源，因为OEM并不一定需要去设计和认证电源系统。通常，适配器既能对产品供电，也能对产品所带电池进行充电。开关模式适配器提供更高的能量转换效率和更小的体积。线性电源适配器效率较低且体积更大，但它产生的辐射或引致的EMI也较小。一款高效适配器可以将散热量降到最低，从而可得到一个尺寸更小和性能更可靠的产品。

Phihong出产的PSA-15R 15-W的AC适配器达到Energy Start和加州能量委员会(CEC)的要求(图2)。从7月1日开始，销售到加州的所有国外电源产品必须符合CEC标准。CEC也通过了新节能标准，以减缓全国用电需求。据CEC称，在未来十中新标准节省的能源，将使全国可以少建3个大型电厂。

总体而言，通过Energy Star认证的产品型号比传统设计效率提供35%。还有，它们通常重量更轻、体积更小。PSA-15R取得了cUL/UL、TUV、SAA、CE、C-Tic和CCC(除48V)的安全认证。它提供小于0.5 W的无负载功耗，最大0.25 mA的低漏电电流。

电池充电器IC

电池化学对充电技术有其独特要求，它对提高容量、循环使用寿命和安全性至关重要。线性布局在那些采用在小于1A条件下充电的低功率(如单电芯或双电芯锂离子电池)电池组的应用中工作良好。然而，开关模式拓朴更适用于要求1A或更高的充电速率的大功率(如3电芯或4电芯锂离子电池，或多电芯NiCd/NiMH电池)电池组。在充电过程中，开关模式拓朴效率更高且使热量散失减至最小，但是如果没有正确地封装，它将产生EMI。

可充电电池的充电和放电容量是以“C”而论，单位是安培-小时(Ah)。实际电池容量取决于C速率和温度。大多数便携式电池标定为1C。1C放电产生等于额定容量的电流。换句话说，如果以1C的速度放电，额定容量为1000mAh的电池提供1小时1000mA电流。

锂离子电池具有更高的单电芯电压、更小的电压容差，而且快充满电时没有涓流充电或浮动充电。对锂离子电池以1C的充电速率首次充电，充电时间大约3小时 。在达到高电压门限时充满，电流下降，降低约3%标称充电电流。

提高锂离电子充电电流对于缩短充电时间作用极小。虽然在电流更高时它可以更快地达到电压峰值，但快充(topping charge)将花更长时间。锂离子电子恒流恒压(CCCV)充电器对于无过压条件下使电池最大限度地保存能量非常重要。

凌特公司(Linear Technology)的LTC4069对于单电芯锂离子电池是一个完整的CCCV线性充电器(图3)。它采用2mm×2mm DFN 封装，而且所需的外部元件数量也很少，这使它极适合于便携式应用。它也被特别设计工作于USB电源规格。CHRG引脚给出充电电流下降了其额定值10%时的C/10检测信号。而内置定时器则按照电池制造商的规格确定是否充电。它还具有充电电流监器输出。

由于内部MOSFET架构，LTC4069无需外部传感电阻或隔离二极管。在大功率操作或高环境温度条件下，热反馈电路将调节充电电流以限制芯片的温度过高。

去除输入(AC适配器或USB电源)时，LTC4069自动进入低电流状态，将电池漏电电流降低到不足1mA。在有电源的条件下，LTC4069可被设置为关机模式，将供电电流减小到不足20mA。而且，它还包括自动再充电、涓流充电、软启动和用于监测电池温度的负温度系统NTC热敏电阻输入。

电池保护IC

锂离子电池组要求限制最大充电和放电电流并监测电芯温度的保护电路。理想的情况是，当电池供电的系统不工作时，该保护电路不再耗电。

Maxim的MAX1666对2-4芯锂离子电池组提供过压、欠压、过充电电流、过放电电流以及电芯不匹配保护(图4)。这是通过检测电池组内各电芯的电压，并将其与可编程设定的门限值以及电池组内其它电芯进行比较完成的。MAX1666有4种型号：S型用于2芯锂离子电池的监测，A型和V型用于3芯电池，而X型则用于4芯电池。

电池能量监测器和监控IC

便携式系统对于可使用电池寿命十分敏感。这对掉电就意味着丢失数据的计算机来说尤其重要。因而实时指示剩余电池使用时间非常有用。一种解决方案采用了对电池数据进行计算并将其传送至主机处理器的电池监视器。另一种解决方案，“电池能量监测器(gas gauge)”，则显示其相关设备中的电池使用时间。

电池监视器为集成了用于电池数据存储的数字内存与寄存器的混合信号IC。模拟电路包括了温度传感器和放大器，以及接口电路。为了测量电池电流，监视器通常包括一个内置或外置电流传感电阻。电压和电流测量通常通过一个片上模数转换器(ADC)进行。在锂离子电池系统中，关于过充电(过压)、过放电(欠压)以及过充电和放电电流(过电流，短路)的信息尤为重要。

电池组中常常使用电池能量监测器IC。由于电池能量监测器IC上的特定输入直接连接电池，这些输入耗电必须很小。否则，长期储存就会降低电池使用时间。最初，电池必须充满，并且将计数器和寄存器设置到指示电池已充满的状态。放电时，电池能量监测器IC监测电池已使用的电量。

大多数电池能量监测器对温度和充/放电速率均进行补偿。通常，在LED上显示可用电量。它们也可以通过I/O端口将电量数据发送至外部处理器。LED显示通常包括5格或6格“温度计”显示。在满电量时所有LED电量指示格都变亮。随着电池可使用时间的减少，电池能量监测器IC依次熄灭“温度计显示”的指示格。

德州仪器的bq2700和bq27200 (bqJUNIOR)为独立的、便携式应用单芯锂离子电池和锂聚合物电池容量监视和报告IC(图5)。它们对与电池串连的小电流传感电阻上的电压降进行监视，以确定充放电过程。容量测量中对电池温度、自放电和放电速度进行了补偿，以提供不同操作条件下电池尚余使用时间信息。

从满电量到电量为空的放电周期中，IC自动重新校准学习电池容量。内置寄存器包括电流、容量、尚余使用时间、充电状态、电池温度和电压以及状态信息。IC可直接工作于单芯锂离子电池和锂聚合物电池，通过HDQ单线或I2C串行接口与系统进行通信。

基于电池的电源IC

电池供电的系统中，电源必须使总体PC板空间最小。电源IC可采用外置或片上功率型MOSFET开关。片上装置减少了外部元件，但它们会提高接点温度并降低热性能。

降低电源的功率散失很重要，它能提高电池的运行时间。这种情况下，通过禁止电源供电、切断电池消耗，shutdown引脚大有帮助。当IC从shutdown模式中恢复时，必须不产生扰乱系统的瞬态过程。

在大多数电池供电系统的电源ID中也具有欠压保护(UVLO)功能，如果电池输出电压下降得过低，UVLO禁止电源供电。大多数电源IC提供额外的过电流防护，对保护了IC和系统元件。这包括了监视负载电流并在过载时切断电源的电流传感器。

对于所有开关电源，布线是一项重要的设计考虑，特别是在高峰值电流和高开关频率时。没有仔细完整的布线，电源IC会变得不稳定或产生EMI。这要求对主要电流路径和电源路径有宽而短的走线。

输入电容器、输出电容器以及电感器应该尽可能靠近IC。反馈分压器也应该尽可能靠近IC的控制地引脚。在进行控制地布线时，采用独立于电源地走线的短走线。

On-Semi的NCP1422是一个高频升压开关转换器IC，它针对要求达到800mA的电池供电产品(图6)。它集成了比外部Schottky二极管更有效的同步整流器。1.2MHz的开关频率允许采用扁形小电感器和输出电容器。

当IC禁止使用时，从LX或BAT至OUT的内部传导路径完全被，而OUT引脚也与电池隔离。这种真正切断功能使关机电流减小到通常仅为50 nA。“振荡消除(Ring-Killer)”消除了非连续传导模式下的高频振荡。

另外，NCP1422具有低电池电压探测和开漏低电池电压探测输出、逻辑控制关机、逐周期电流限制和热关机功能。所有这些功能开启时，静止供电电流通常为8.5 mA。该IC采用紧凑扁形DFN-10封装。采用了2.5V输入，对于200mA、3.3V输出的效率为94%；对500mA、3.3V输出的效率为88%。

近来多功能电池电源管理IC承担了电池充电、DC-D转换、电池保护、电池监视或电源选择功能。例如，TI的TPS65800对USB端口和AC适配器电源提供了灵活的充电和系统电源路径管理(图7)。它对由单芯锂离子或锂聚合物电池供电的应用，也具有多电源输出和几种电路选择(参见附表)。

TPS65800具有两个在基于处理器的系统中提供核心电压和外围I/O电压的高效降压转换器。为提高效率，转换器在低负载时进入低功率模式。

TPS65800在独立对电池进行充电时，还对系统进行供电，减少了电池的充电和放电周期。这样在没有电池组或电池组有问题时，就可以正确地终止充电并正确运行系统。对于电量几乎用尽的电池组，系统可以立即启动外部电源。

TPS65800自动选择USB端口或AC适配器作为系统的电源。在USB配置中，主机可以在预设置的100mA和500mA充电速率中选择。IC基于系统负载对USB充电速率进行动态调整，以保持100mA或500mA的充电速率。

在AC适配器配置中，外部电阻器调整充电电流的大小。它对电池充电分三种模式：调整模式，固定电流模式和固定电压模式。充电根据最小电流确定。一个内置充电定时器对充电终止提供了后备的安全保证。如果电池电压下降到内置门限值以下，TPS65800将自动重启充电。

具有外部触发器能力的8通道、10比特连续逼近ADC进行单个、多个和连续读取，返回最大值、最小值或连续平均值。它还有3个可编程通用输入输出(GPIO)端口。

GPIO3缺省设置为ADC的触发器。两个通用脉冲宽度调制(PWM)驱动器和具有可编程电流的RGB驱动器提供了适用于手持设备和其他便携应用的高度集成解决方案。

作者：Sam Davis