手機、MP3播放機、數字相機、手持式視頻游戲機……清單可以列得很長很長。電池供電系統無處不在。這些應用得以快速增長的原因之一是市場上可以提供支持日益復雜電子系統的電池和電源管理IC。圖1顯示了電池供電系統中典型的電源管理子系統。

　　為了在系統中發揮有效作用，這些電源管理子系統必須具備以下特性：1）在小化電池尺寸和重量的同時，化實際運行時間；2）在限定的輸入電壓范圍和負載電流下，提供合適的穩壓輸出電壓；3）小化相關元器件的總空間和總重量；4）小化散熱量，以消除對復雜熱管理電路的需要，因為它要增加體積、重量和成本；5）將電磁干擾(EMI)降至；6）化系統的可靠性。

　　電池選擇

　　為滿足上述設計目標，我們從電池開始電源管理子系統的設計，它可以是非充電一次電池或可充電二次電池。一次電池包括堿性電池和鋰離子金屬電池。鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池、鋰離子(Li-ion)電池和鋰聚合物(Li-pol)電池是常見的可充電電池。

　　鋰離子電池單位重量提供了的電化電勢和的能量密度。如果在充電和放電時滿足一定的注意事項，它們也很安全。鋰離子能量密度大約是標準NiCd電池的兩倍。除了大容量，其負載特性相當好，且就放電特性而言它很接近于NiCd電池。再有，其相當高的電池電壓(2.7至4.2V)支持單節電芯電池組。

　　操作測試鋰離子電池時要小心：不要短路、過充電、重壓、掉落、毀傷或剌穿電池；不向電池施加相反的電極，不要將電池暴露于高溫或拆卸電池；，使用時始終采用其特定的保護電路。

　　Li-Pol鋰聚合物電池與Li-ion鋰離子電池在制造工藝、堅固性、安全性和薄幾何外形狀方面有所不同。與鋰離子電池不同，鋰聚合物電池具有比傳統鋰離子電池封裝更簡單且外形更薄的特點。

　　AC適配器

　　AC適配器是對便攜系統電池進行充電的一種高性價比能量來源，因為OEM并不一定需要去設計和認證電源系統。通常，適配器既能對產品供電，也能對產品所帶電池進行充電。開關模式適配器提供更高的能量轉換效率和更小的體積。線性電源適配器效率較低且體積更大，但它產生的輻射或引致的EMI也較小。一款高效適配器可以將散熱量降到，從而可得到一個尺寸更小和性能更可靠的產品。

　　Phihong出產的PSA-15R 15-W的AC適配器達到Energy Start和加州能量委員會(CEC)的要求(圖2)。從7月1日開始，銷售到加州的所有國外電源產品必須符合CEC標準。CEC也通過了新節能標準，以減緩全國用電需求。據CEC稱，在未來十中新標準節省的能源，將使全國可以少建3個大型電廠。

　　總體而言，通過Energy Star認證的產品型號比傳統設計效率提供35%。還有，它們通常重量更輕、體積更小。PSA-15R取得了cUL/UL、TUV、SAA、CE、C-Tic和CCC(除48V)的安全認證。它提供小于0.5 W的無負載功耗，0.25 mA的低漏電電流。

　　電池充電器IC

　　電池化學對充電技術有其獨特要求，它對提高容量、循環使用壽命和安全性至關重要。線性布局在那些采用在小于1A條件下充電的低功率(如單電芯或雙電芯鋰離子電池)電池組的應用中工作良好。然而，開關模式拓樸更適用于要求1A或更高的充電速率的大功率(如3電芯或4電芯鋰離子電池，或多電芯NiCd/NiMH電池)電池組。在充電過程中，開關模式拓樸效率更高且使熱量散失減至小，但是如果沒有正確地封裝，它將產生EMI。

　　可充電電池的充電和放電容量是以“C”而論，單位是安培-小時(Ah)。實際電池容量取決于C速率和溫度。大多數便攜式電池標定為1C。1C放電產生等于額定容量的電流。換句話說，如果以1C的速度放電，額定容量為1000mAh的電池提供1小時1000mA電流。

　　鋰離子電池具有更高的單電芯電壓、更小的電壓容差，而且快充滿電時沒有涓流充電或浮動充電。對鋰離子電池以1C的充電速率充電，充電時間大約3小時 。在達到高電壓門限時充滿，電流下降，降低約3%標稱充電電流。

　　提高鋰離電子充電電流對于縮短充電時間作用極小。雖然在電流更高時它可以更快地達到電壓峰值，但快充(topping charge)將花更長時間。鋰離子電子恒流恒壓(CCCV)充電器對于無過壓條件下使電池限度地保存能量非常重要。

　　凌特公司(Linear Technology)的LTC4069對于單電芯鋰離子電池是一個完整的CCCV線性充電器(圖3)。它采用2mm×2mm DFN 封裝，而且所需的外部元件數量也很少，這使它極適合于便攜式應用。它也被特別設計工作于USB電源規格。CHRG引腳給出充電電流下降了其額定值10%時的C/10檢測信號。而內置定時器則按照電池制造商的規格確定是否充電。它還具有充電電流監器輸出。

　　由于內部MOSFET架構，LTC4069無需外部傳感電阻或隔離二極管。在大功率操作或高環境溫度條件下，熱反饋電路將調節充電電流以限制芯片的溫度過高。

　　去除輸入(AC適配器或USB電源)時，LTC4069自動進入低電流狀態，將電池漏電電流降低到不足1mA。在有電源的條件下，LTC4069可被設置為關機模式，將供電電流減小到不足20mA。而且，它還包括自動再充電、涓流充電、軟啟動和用于監測電池溫度的負溫度系統NTC熱敏電阻輸入。

　　電池保護IC

　　鋰離子電池組要求限制充電和放電電流并監測電芯溫度的保護電路。理想的情況是，當電池供電的系統不工作時，該保護電路不再耗電。

　　Maxim的MAX1666對2-4芯鋰離子電池組提供過壓、欠壓、過充電電流、過放電電流以及電芯不匹配保護(圖4)。這是通過檢測電池組內各電芯的電壓，并將其與可編程設定的門限值以及電池組內其它電芯進行比較完成的。MAX1666有4種型號：S型用于2芯鋰離子電池的監測，A型和V型用于3芯電池，而X型則用于4芯電池。

　　電池能量監測器和監控IC

　　便攜式系統對于可使用電池壽命十分敏感。這對掉電就意味著丟失數據的計算機來說尤其重要。因而實時指示剩余電池使用時間非常有用。一種解決方案采用了對電池數據進行計算并將其傳送至主機處理器的電池監視器。另一種解決方案，“電池能量監測器(gas gauge)”，則顯示其相關設備中的電池使用時間。

　　電池監視器為集成了用于電池數據存儲的數字內存與寄存器的混合信號IC。模擬電路包括了溫度傳感器和放大器，以及接口電路。為了測量電池電流，監視器通常包括一個內置或外置電流傳感電阻。電壓和電流測量通常通過一個片上模數轉換器(ADC)進行。在鋰離子電池系統中，關于過充電(過壓)、過放電(欠壓)以及過充電和放電電流(過電流，短路)的信息尤為重要。

　　電池組中常常使用電池能量監測器IC。由于電池能量監測器IC上的特定輸入直接連接電池，這些輸入耗電必須很小。否則，長期儲存就會降低電池使用時間。初，電池必須充滿，并且將計數器和寄存器設置到指示電池已充滿的狀態。放電時，電池能量監測器IC監測電池已使用的電量。

　　大多數電池能量監測器對溫度和充/放電速率均進行補償。通常，在LED上顯示可用電量。它們也可以通過I/O端口將電量數據發送至外部處理器。LED顯示通常包括5格或6格“溫度計”顯示。在滿電量時所有LED電量指示格都變亮。隨著電池可使用時間的減少，電池能量監測器IC依次熄滅“溫度計顯示”的指示格。

　　德州儀器的bq2700和bq27200 (bqJUNIOR)為獨立的、便攜式應用單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池容量監視和報告IC(圖5)。它們對與電池串連的小電流傳感電阻上的電壓降進行監視，以確定充放電過程。容量測量中對電池溫度、自放電和放電速度進行了補償，以提供不同操作條件下電池尚余使用時間信息。

　　從滿電量到電量為空的放電周期中，IC自動重新校準學習電池容量。內置寄存器包括電流、容量、尚余使用時間、充電狀態、電池溫度和電壓以及狀態信息。IC可直接工作于單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池，通過HDQ單線或I2C串行接口與系統進行通信。

　　基于電池的電源IC

　　電池供電的系統中，電源必須使總體PC板空間小。電源IC可采用外置或片上功率型MOSFET開關。片上裝置減少了外部元件，但它們會提高接點溫度并降低熱性能。

　　降低電源的功率散失很重要，它能提高電池的運行時間。這種情況下，通過禁止電源供電、切斷電池消耗，shutdown引腳大有幫助。當IC從shutdown模式中恢復時，必須不產生擾亂系統的瞬態過程。

　　在大多數電池供電系統的電源ID中也具有欠壓保護(UVLO)功能，如果電池輸出電壓下降得過低，UVLO禁止電源供電。大多數電源IC提供額外的過電流防護，對保護了IC和系統元件。這包括了監視負載電流并在過載時切斷電源的電流傳感器。

　　對于所有開關電源，布線是一項重要的設計考慮，特別是在高峰值電流和高開關頻率時。沒有仔細完整的布線，電源IC會變得不穩定或產生EMI。這要求對主要電流路徑和電源路徑有寬而短的走線。

　　輸入電容器、輸出電容器以及電感器應該盡可能靠近IC。反饋分壓器也應該盡可能靠近IC的控制地引腳。在進行控制地布線時，采用獨立于電源地走線的短走線。

　　On-Semi的NCP1422是一個高頻升壓開關轉換器IC，它針對要求達到800mA的電池供電產品(圖6)。它集成了比外部Schottky二極管更有效的同步整流器。1.2MHz的開關頻率允許采用扁形小電感器和輸出電容器。

　　當IC禁止使用時，從LX或BAT至OUT的內部傳導路徑完全被封鎖，而OUT引腳也與電池隔離。這種真正切斷功能使關機電流減小到通常僅為50 nA。“振蕩消除(Ring-Killer)”消除了非連續傳導模式下的高頻振蕩。

　　另外，NCP1422具有低電池電壓探測和開漏低電池電壓探測輸出、邏輯控制關機、逐周期電流限制和熱關機功能。所有這些功能開啟時，靜止供電電流通常為8.5 mA。該IC采用緊湊扁形DFN-10封裝。采用了2.5V輸入，對于200mA、3.3V輸出的效率為94%；對500mA、3.3V輸出的效率為88%。

　　近來多功能電池電源管理IC承擔了電池充電、DC-D轉換、電池保護、電池監視或電源選擇功能。例如，TI的TPS65800對USB端口和AC適配器電源提供了靈活的充電和系統電源路徑管理(圖7)。它對由單芯鋰離子或鋰聚合物電池供電的應用，也具有多電源輸出和幾種電路選擇(參見附表)。

　　TPS65800具有兩個在基于處理器的系統中提供核心電壓和外圍I/O電壓的高效降壓轉換器。為提高效率，轉換器在低負載時進入低功率模式。

　　TPS65800在獨立對電池進行充電時，還對系統進行供電，減少了電池的充電和放電周期。這樣在沒有電池組或電池組有問題時，就可以正確地終止充電并正確運行系統。對于電量幾乎用盡的電池組，系統可以立即啟動外部電源。

　　TPS65800自動選擇USB端口或AC適配器作為系統的電源。在USB配置中，主機可以在預設置的100mA和500mA充電速率中選擇。IC基于系統負載對USB充電速率進行動態調整，以保持100mA或500mA的充電速率。

　　在AC適配器配置中，外部電阻器調整充電電流的大小。它對電池充電分三種模式：調整模式，固定電流模式和固定電壓模式。充電根據小電流確定。一個內置充電定時器對充電終止提供了后備的安全保證。如果電池電壓下降到內置門限值以下，TPS65800將自動重啟充電。

　　具有外部觸發器能力的8通道、10比特連續逼近ADC進行單個、多個和連續讀取，返回值、小值或連續平均值。它還有3個可編程通用輸入輸出(GPIO)端口。

　　GPIO3缺省設置為ADC的觸發器。兩個通用脈沖寬度調制(PWM)驅動器和具有可編程電流的RGB驅動器提供了適用于手持設備和其他便攜應用的高度集成解決方案。