手機(jī)、MP3播放機(jī)、數(shù)字相機(jī)、手持式視頻游戲機(jī)……清單可以列得很長(zhǎng)很長(zhǎng)。電池供電系統(tǒng)無(wú)處不在。這些應(yīng)用得以快速增長(zhǎng)的原因之一是市場(chǎng)上可以提供支持日益復(fù)雜電子系統(tǒng)的電池和電源管理IC。圖1顯示了電池供電系統(tǒng)中典型的電源管理子系統(tǒng)。

　　為了在系統(tǒng)中發(fā)揮有效作用，這些電源管理子系統(tǒng)必須具備以下特性：1）在小化電池尺寸和重量的同時(shí)，化實(shí)際運(yùn)行時(shí)間；2）在限定的輸入電壓范圍和負(fù)載電流下，提供合適的穩(wěn)壓輸出電壓；3）小化相關(guān)元器件的總空間和總重量；4）小化散熱量，以消除對(duì)復(fù)雜熱管理電路的需要，因?yàn)樗黾芋w積、重量和成本；5）將電磁干擾(EMI)降至；6）化系統(tǒng)的可靠性。

　　電池選擇

　　為滿足上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們從電池開始電源管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jiàn)的可充電電池。

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

　　操作測(cè)試鋰離子電池時(shí)要小心：不要短路、過(guò)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(shí)始終采用其特定的保護(hù)電路。

　　Li-Pol鋰聚合物電池與Li-ion鋰離子電池在制造工藝、堅(jiān)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(tǒng)鋰離子電池封裝更簡(jiǎn)單且外形更薄的特點(diǎn)。

　　AC適配器

　　AC適配器是對(duì)便攜系統(tǒng)電池進(jìn)行充電的一種高性價(jià)比能量來(lái)源，因?yàn)镺EM并不一定需要去設(shè)計(jì)和認(rèn)證電源系統(tǒng)。通常，適配器既能對(duì)產(chǎn)品供電，也能對(duì)產(chǎn)品所帶電池進(jìn)行充電。開關(guān)模式適配器提供更高的能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(gè)尺寸更小和性能更可靠的產(chǎn)品。

　　Phihong出產(chǎn)的PSA-15R 15-W的AC適配器達(dá)到Energy Start和加州能量委員會(huì)(CEC)的要求(圖2)。從7月1日開始，銷售到加州的所有國(guó)外電源產(chǎn)品必須符合CEC標(biāo)準(zhǔn)。CEC也通過(guò)了新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以減緩全國(guó)用電需求。據(jù)CEC稱，在未來(lái)十中新標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省的能源，將使全國(guó)可以少建3個(gè)大型電廠。

　　總體而言，通過(guò)Energy Star認(rèn)證的產(chǎn)品型號(hào)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(rèn)證。它提供小于0.5 W的無(wú)負(fù)載功耗，0.25 mA的低漏電電流。

　　電池充電器IC

　　電池化學(xué)對(duì)充電技術(shù)有其獨(dú)特要求，它對(duì)提高容量、循環(huán)使用壽命和安全性至關(guān)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(yīng)用中工作良好。然而，開關(guān)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(guò)程中，開關(guān)模式拓樸效率更高且使熱量散失減至小，但是如果沒(méi)有正確地封裝，它將產(chǎn)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(shí)(Ah)。實(shí)際電池容量取決于C速率和溫度。大多數(shù)便攜式電池標(biāo)定為1C。1C放電產(chǎn)生等于額定容量的電流。換句話說(shuō)，如果以1C的速度放電，額定容量為1000mAh的電池提供1小時(shí)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(shí)沒(méi)有涓流充電或浮動(dòng)充電。對(duì)鋰離子電池以1C的充電速率充電，充電時(shí)間大約3小時(shí) 。在達(dá)到高電壓門限時(shí)充滿，電流下降，降低約3%標(biāo)稱充電電流。

　　提高鋰離電子充電電流對(duì)于縮短充電時(shí)間作用極小。雖然在電流更高時(shí)它可以更快地達(dá)到電壓峰值，但快充(topping charge)將花更長(zhǎng)時(shí)間。鋰離子電子恒流恒壓(CCCV)充電器對(duì)于無(wú)過(guò)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(duì)于單電芯鋰離子電池是一個(gè)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(shù)量也很少，這使它極適合于便攜式應(yīng)用。它也被特別設(shè)計(jì)工作于USB電源規(guī)格。CHRG引腳給出充電電流下降了其額定值10%時(shí)的C/10檢測(cè)信號(hào)。而內(nèi)置定時(shí)器則按照電池制造商的規(guī)格確定是否充電。它還具有充電電流監(jiān)器輸出。

　　由于內(nèi)部MOSFET架構(gòu)，LTC4069無(wú)需外部傳感電阻或隔離二極管。在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下，熱反饋電路將調(diào)節(jié)充電電流以限制芯片的溫度過(guò)高。

　　去除輸入(AC適配器或USB電源)時(shí)，LTC4069自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)，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(shè)置為關(guān)機(jī)模式，將供電電流減小到不足20mA。而且，它還包括自動(dòng)再充電、涓流充電、軟啟動(dòng)和用于監(jiān)測(cè)電池溫度的負(fù)溫度系統(tǒng)NTC熱敏電阻輸入。

　　電池保護(hù)IC

　　鋰離子電池組要求限制充電和放電電流并監(jiān)測(cè)電芯溫度的保護(hù)電路。理想的情況是，當(dāng)電池供電的系統(tǒng)不工作時(shí)，該保護(hù)電路不再耗電。

　　Maxim的MAX1666對(duì)2-4芯鋰離子電池組提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)充電電流、過(guò)放電電流以及電芯不匹配保護(hù)(圖4)。這是通過(guò)檢測(cè)電池組內(nèi)各電芯的電壓，并將其與可編程設(shè)定的門限值以及電池組內(nèi)其它電芯進(jìn)行比較完成的。MAX1666有4種型號(hào)：S型用于2芯鋰離子電池的監(jiān)測(cè)，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(jiān)測(cè)器和監(jiān)控IC

　　便攜式系統(tǒng)對(duì)于可使用電池壽命十分敏感。這對(duì)掉電就意味著丟失數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)尤其重要。因而實(shí)時(shí)指示剩余電池使用時(shí)間非常有用。一種解決方案采用了對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將其傳送至主機(jī)處理器的電池監(jiān)視器。另一種解決方案，“電池能量監(jiān)測(cè)器(gas gauge)”，則顯示其相關(guān)設(shè)備中的電池使用時(shí)間。

　　電池監(jiān)視器為集成了用于電池?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)字內(nèi)存與寄存器的混合信號(hào)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(cè)量電池電流，監(jiān)視器通常包括一個(gè)內(nèi)置或外置電流傳感電阻。電壓和電流測(cè)量通常通過(guò)一個(gè)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行。在鋰離子電池系統(tǒng)中，關(guān)于過(guò)充電(過(guò)壓)、過(guò)放電(欠壓)以及過(guò)充電和放電電流(過(guò)電流，短路)的信息尤為重要。

　　電池組中常常使用電池能量監(jiān)測(cè)器IC。由于電池能量監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期儲(chǔ)存就會(huì)降低電池使用時(shí)間。初，電池必須充滿，并且將計(jì)數(shù)器和寄存器設(shè)置到指示電池已充滿的狀態(tài)。放電時(shí)，電池能量監(jiān)測(cè)器IC監(jiān)測(cè)電池已使用的電量。

　　大多數(shù)電池能量監(jiān)測(cè)器對(duì)溫度和充/放電速率均進(jìn)行補(bǔ)償。通常，在LED上顯示可用電量。它們也可以通過(guò)I/O端口將電量數(shù)據(jù)發(fā)送至外部處理器。LED顯示通常包括5格或6格“溫度計(jì)”顯示。在滿電量時(shí)所有LED電量指示格都變亮。隨著電池可使用時(shí)間的減少，電池能量監(jiān)測(cè)器IC依次熄滅“溫度計(jì)顯示”的指示格。

　　德州儀器的bq2700和bq27200 (bqJUNIOR)為獨(dú)立的、便攜式應(yīng)用單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池容量監(jiān)視和報(bào)告IC(圖5)。它們對(duì)與電池串連的小電流傳感電阻上的電壓降進(jìn)行監(jiān)視，以確定充放電過(guò)程。容量測(cè)量中對(duì)電池溫度、自放電和放電速度進(jìn)行了補(bǔ)償，以提供不同操作條件下電池尚余使用時(shí)間信息。

　　從滿電量到電量為空的放電周期中，IC自動(dòng)重新校準(zhǔn)學(xué)習(xí)電池容量。內(nèi)置寄存器包括電流、容量、尚余使用時(shí)間、充電狀態(tài)、電池溫度和電壓以及狀態(tài)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(guò)HDQ單線或I2C串行接口與系統(tǒng)進(jìn)行通信。

　　基于電池的電源IC

　　電池供電的系統(tǒng)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(guān)。片上裝置減少了外部元件，但它們會(huì)提高接點(diǎn)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(yùn)行時(shí)間。這種情況下，通過(guò)禁止電源供電、切斷電池消耗，shutdown引腳大有幫助。當(dāng)IC從shutdown模式中恢復(fù)時(shí)，必須不產(chǎn)生擾亂系統(tǒng)的瞬態(tài)過(guò)程。

　　在大多數(shù)電池供電系統(tǒng)的電源ID中也具有欠壓保護(hù)(UVLO)功能，如果電池輸出電壓下降得過(guò)低，UVLO禁止電源供電。大多數(shù)電源IC提供額外的過(guò)電流防護(hù)，對(duì)保護(hù)了IC和系統(tǒng)元件。這包括了監(jiān)視負(fù)載電流并在過(guò)載時(shí)切斷電源的電流傳感器。

　　對(duì)于所有開關(guān)電源，布線是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)考慮，特別是在高峰值電流和高開關(guān)頻率時(shí)。沒(méi)有仔細(xì)完整的布線，電源IC會(huì)變得不穩(wěn)定或產(chǎn)生EMI。這要求對(duì)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(yīng)該盡可能靠近IC。反饋分壓器也應(yīng)該盡可能靠近IC的控制地引腳。在進(jìn)行控制地布線時(shí)，采用獨(dú)立于電源地走線的短走線。

　　On-Semi的NCP1422是一個(gè)高頻升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器IC，它針對(duì)要求達(dá)到800mA的電池供電產(chǎn)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(guān)頻率允許采用扁形小電感器和輸出電容器。

　　當(dāng)IC禁止使用時(shí)，從LX或BAT至OUT的內(nèi)部傳導(dǎo)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(guān)機(jī)電流減小到通常僅為50 nA。“振蕩消除(Ring-Killer)”消除了非連續(xù)傳導(dǎo)模式下的高頻振蕩。

　　另外，NCP1422具有低電池電壓探測(cè)和開漏低電池電壓探測(cè)輸出、邏輯控制關(guān)機(jī)、逐周期電流限制和熱關(guān)機(jī)功能。所有這些功能開啟時(shí)，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(duì)于200mA、3.3V輸出的效率為94%；對(duì)500mA、3.3V輸出的效率為88%。

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

　　TPS65800具有兩個(gè)在基于處理器的系統(tǒng)中提供核心電壓和外圍I/O電壓的高效降壓轉(zhuǎn)換器。為提高效率，轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載時(shí)進(jìn)入低功率模式。

　　TPS65800在獨(dú)立對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，減少了電池的充電和放電周期。這樣在沒(méi)有電池組或電池組有問(wèn)題時(shí)，就可以正確地終止充電并正確運(yùn)行系統(tǒng)。對(duì)于電量幾乎用盡的電池組，系統(tǒng)可以立即啟動(dòng)外部電源。

　　TPS65800自動(dòng)選擇USB端口或AC適配器作為系統(tǒng)的電源。在USB配置中，主機(jī)可以在預(yù)設(shè)置的100mA和500mA充電速率中選擇。IC基于系統(tǒng)負(fù)載對(duì)USB充電速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)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(diào)整充電電流的大小。它對(duì)電池充電分三種模式：調(diào)整模式，固定電流模式和固定電壓模式。充電根據(jù)小電流確定。一個(gè)內(nèi)置充電定時(shí)器對(duì)充電終止提供了后備的安全保證。如果電池電壓下降到內(nèi)置門限值以下，TPS65800將自動(dòng)重啟充電。

　　具有外部觸發(fā)器能力的8通道、10比特連續(xù)逼近ADC進(jìn)行單個(gè)、多個(gè)和連續(xù)讀取，返回值、小值或連續(xù)平均值。它還有3個(gè)可編程通用輸入輸出(GPIO)端口。

　　GPIO3缺省設(shè)置為ADC的觸發(fā)器。兩個(gè)通用脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)器和具有可編程電流的RGB驅(qū)動(dòng)器提供了適用于手持設(shè)備和其他便攜應(yīng)用的高度集成解決方案。