非常見問題第218期:優(yōu)化電池供電系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率

問題：電池供電系統(tǒng)需要電源管理系統(tǒng)嗎？

答案：是的，大多數(shù)電池供電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電池充電。本文說明如何為電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化不同的電源管理功能，介紹了一個(gè)包含電池供電電子設(shè)備所需許多功能的示例系統(tǒng)示意圖，還討論了電源轉(zhuǎn)換效率的不同方面。

簡(jiǎn)介

許多系統(tǒng)需要電池供電。電池可用于停電時(shí)提供備用電力，但主要用于移動(dòng)式設(shè)備——大到像電動(dòng)汽車，小到像助聽器。在所有電池供電系統(tǒng)中，電源效率是關(guān)鍵。在運(yùn)行時(shí)間相同的情況下，電源效率越低，電池就會(huì)越大，其成本也越高。此外，電池根據(jù)充電狀態(tài)提供不同的電壓。這就需要特殊的電源轉(zhuǎn)換器來將電池提供的可變電壓調(diào)節(jié)為系統(tǒng)電子設(shè)備所需的穩(wěn)定電壓。如今，大多數(shù)電池供電系統(tǒng)采用可充電電池，而不是不可充電的原電池。這就要求系統(tǒng)中包含電池充電器。本文將介紹各種電池充電架構(gòu)以及一些具創(chuàng)新性的新用例。當(dāng)然，電源轉(zhuǎn)換效率是重中之重。

圖1 電池供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)圖

圖1顯示了電池供電系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。雖然具體的實(shí)現(xiàn)方案因使用場(chǎng)景不同而異，但通常來說，所有系統(tǒng)都會(huì)包含圖中所示的主要功能模塊。系統(tǒng)中存在某種電源電壓，它為系統(tǒng)供電。此連接通常需要是可切換的。如果電源是壁式交流電源轉(zhuǎn)換器，那么拔下低壓電源線與圖1中的電源開關(guān)切換到斷開位置具有相同的效果。這種電源路徑管理很有必要，旨在避免連接到電源的附加電路消耗寶貴的電池電量。另外，圖1中還有一個(gè)潛在的第二電源。通過電源開關(guān)模塊，可在電源1或電源2的功率流之間切換。例如，電源2可以是USB 5V電源。

然后，該電源經(jīng)轉(zhuǎn)換后安全地給可用電池充電，以及/或者直接給系統(tǒng)供電。如果沒有輸入電源可用，電池中儲(chǔ)存的能量將通過效率非常高的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)供電。

電池供電系統(tǒng)的電源效率

電池充電通常不需要非常高的電源效率。除了能量采集之外，大多數(shù)電池供電系統(tǒng)都能獲得足夠的電力來為電池充電。例如，當(dāng)手機(jī)連接到充電器時(shí)，大多數(shù)人通常不會(huì)關(guān)心充電過程的確切效率。

然而，在能量采集系統(tǒng)中，充電期間的電源效率至關(guān)重要。最終，充電期間的更高電源效率直接導(dǎo)致能量采集器尺寸更小，從而降低系統(tǒng)成本并可縮減系統(tǒng)尺寸。

然而，所有電池供電系統(tǒng)都會(huì)重視電池放電時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間相同的情況下，此過程中的電源轉(zhuǎn)換效率越高，則所需的電池容量越小。

這種電源轉(zhuǎn)換級(jí)從電池產(chǎn)生負(fù)載所需電壓的效率，需要進(jìn)一步評(píng)估。一個(gè)是滿載轉(zhuǎn)換效率，它提供了系統(tǒng)在標(biāo)稱負(fù)載下可以運(yùn)行多長時(shí)間的信息，還有一個(gè)是輕載效率，它對(duì)許多系統(tǒng)都很重要。這是在負(fù)載非常小的情況下的電源轉(zhuǎn)換效率。以電池供電的煙霧探測(cè)器為例，它在低負(fù)載電流的煙霧探測(cè)階段可持續(xù)運(yùn)行多年，直至檢測(cè)到煙霧并發(fā)出警報(bào)。警報(bào)由高電流啟動(dòng)，但此階段的電源效率與需要更換電池的時(shí)間點(diǎn)沒有多大關(guān)系。

當(dāng)負(fù)載功耗非常低時(shí)，靜態(tài)電流IQ與效率相關(guān)。靜態(tài)電流越低越好。此靜態(tài)電流與開關(guān)方案一起決定了低負(fù)載效率。圖2顯示了使用和不使用輕載效率模式的典型效率曲線。輕載效率模式為藍(lán)色曲線，固定開關(guān)頻率模式為黑色虛線曲線。許多電源轉(zhuǎn)換電路通過這樣的模式來提高輕載效率。通常，其工作方式是停止使用恒定開關(guān)頻率，只有當(dāng)輸出電壓略有下降時(shí)才產(chǎn)生幾個(gè)開關(guān)脈沖。在這些突發(fā)脈沖之間的時(shí)間里，電源轉(zhuǎn)換器關(guān)閉許多功能以節(jié)省功耗。這些低功耗模式在具體架構(gòu)方面可能因IC不同而略有不同，但此類特殊模式始終能在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)非常高的效率。

如圖2所示，1 mA輸出負(fù)載下的效率差異相當(dāng)大。在1 mA的輕負(fù)載（甚至低至100 μA負(fù)載）下激活省電模式時(shí)，電源轉(zhuǎn)換效率為50%。在不激活省電模式的600 kHz固定開關(guān)頻率下，效率只有大約15%。

圖2 兩種情況下ADP2370降壓穩(wěn)壓器的電源轉(zhuǎn)換效率:一種是激活低負(fù)載省電模式,另一種是在所有負(fù)載下均使用固定的600 kHz開關(guān)頻率

電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

如上所述，電源轉(zhuǎn)換效率在電池供電系統(tǒng)中非常重要。電池供電系統(tǒng)可以選擇所有現(xiàn)有類型的拓?fù)?。其中一種常用的拓?fù)涫撬拈_關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。許多系統(tǒng)需要3.3 V電源電壓，由單個(gè)鋰離子電池供電。這種電池提供3.6 V的標(biāo)稱電壓，但在放電狀態(tài)后期，它們僅提供2.8 V至3.0 V之間的電壓。為了延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，我們需要盡可能多地利用電池的能量。在3.3 V系統(tǒng)中，當(dāng)鋰離子電池充滿電時(shí)，我們需要將其電壓從3.6 V降至3.3 V。然而，當(dāng)電池放電接近尾聲時(shí)，我們需要將2.8 V升壓至3.3 V。這就需要降壓-升壓電路。目前有許多不同類型的降壓-升壓電路。舉幾個(gè)例子，適用的拓?fù)浒ɑ谧儔浩鞯姆醇な?、雙電感單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)和四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)?。通常選擇四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)?，因?yàn)榕c其他兩種拓?fù)湎啾?，其電源轉(zhuǎn)換效率最高。

圖3顯示了四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)涞母拍睢?/p>

圖3 四開關(guān)降壓-升壓電源轉(zhuǎn)換器的例子,例如LT3154降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

使用兩個(gè)串聯(lián)鋰離子電池，而非一個(gè)電池，可以完全避免降壓-升壓拓?fù)?。這種情況下只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓級(jí)電源變換器。然而，我們需要為第二電池付出額外的努力和成本。此外，為兩個(gè)電池充電比僅為一個(gè)電池充電更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)兩個(gè)電池串聯(lián)使用時(shí)，最大電壓為7.2 V。電源轉(zhuǎn)換器需要采用更高電壓的半導(dǎo)體工藝，而非典型的最大5.5 V工藝。這不是問題，但DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體成本可能稍高。

選擇合適的電池充電器

市場(chǎng)上有許多電池充電器IC。電池充電器是一種以安全的方式提供電壓和電流，從而為電池充電的器件。選擇集成電路時(shí)，首先需要決定使用線性充電器還是開關(guān)充電器。線性充電器就像線性穩(wěn)壓器，只能降低可用電壓。輸入電流大致等于輸出電流。

例如，如果耗盡的電池電壓為0.8 V，可用的系統(tǒng)電壓為3.3 V，則線性充電器必須降壓至2.5 V。如果充電電流為1 A，則線性充電器會(huì)以熱量形式消耗2.5 W功率。這是可行的，但如果系統(tǒng)電壓為12 V，功耗將是11.2 W。因此，對(duì)于充電電流較低且系統(tǒng)電壓接近電池電壓的應(yīng)用，線性充電器是合理的選擇。

對(duì)于所有其他應(yīng)用，建議使用開關(guān)充電器。市面上的大多數(shù)電池充電器IC都是開關(guān)模式電池充電器。這些屬于經(jīng)典的開關(guān)電源(SMPS)器件，具有支持電池充電的特殊功能?？梢杂煤銐夯蚝懔鞒潆?，有時(shí)甚至兩者都用，并且還提供特殊功能來確保充電安全。這可以是一個(gè)定時(shí)器，用以檢測(cè)連接的電池是否有缺陷，或者可以包括一個(gè)溫度傳感器來限制充電期間的電池溫度，避免不同情況下的熱失控。還有一個(gè)頗受歡迎的功能就是電池包和電池充電器之間的安全檢查，它可監(jiān)控系統(tǒng)連接的電池是否獲得許可。

圖4顯示了一個(gè)獨(dú)立SMPS電池充電器解決方案。其中采用MAX77985，可實(shí)現(xiàn)降壓SMPS電池充電器和電源路徑開關(guān)功能。電源路徑開關(guān)是大多數(shù)應(yīng)用必不可少的功能。一旦電池充滿電，它就會(huì)斷開輸入電壓軌與電池的連接，以防止電池電量通過可能連接到輸入電源線的電路消耗。此外，該解決方案具有數(shù)字I2C接口，此接口可更改充電器IC的某些設(shè)置以及用于遙測(cè)目的。為使電池充電器盡可能靈活，數(shù)字接口支持設(shè)置不同的電池類型和電池大小。

圖4 MAX77985獨(dú)立電池充電器簡(jiǎn)化電路圖

在許多不同的特性中，有一項(xiàng)特別值得注意。MAX77985中的集成電源開關(guān)不僅可以在降壓模式下為電池充電，還可用于將電池電壓提升到更高的系統(tǒng)電壓。在某種程度上，這款電池充電器是系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器與純電池充電器的組合。

電池供電設(shè)備需要許多不同的電氣功能。有些產(chǎn)品僅提供基本功能，而有些產(chǎn)品將大多數(shù)功能高度集成在一個(gè)集成電路中。這種產(chǎn)品稱之為系統(tǒng)電源管理集成電路(PMIC)，在電池供電的應(yīng)用中特別受歡迎。這有多種原因。一個(gè)原因是許多電池供電系統(tǒng)相當(dāng)小，因而需要緊湊的系統(tǒng)解決方案。第二個(gè)原因是每個(gè)獨(dú)立IC都有一定的靜態(tài)電流，IC開啟或關(guān)斷時(shí)總是會(huì)消耗一些功率，這最終會(huì)耗盡電池電量。在大多數(shù)情況下，將許多不同的集成電路組合成一個(gè)PMIC器件可以降低系統(tǒng)的靜態(tài)電流。

在過去的20年里，高容量鋰離子電池的出現(xiàn)改變了電池供電系統(tǒng)的面貌。許多集成電路可用于對(duì)這些電池進(jìn)行高效充電和放電。如今，為了提高單位重量和體積的容量，加快電池的充電速度，同時(shí)確保電池的安全性，業(yè)界正在對(duì)未來的電池結(jié)構(gòu)開展大量研究。隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池充放電集成電路的創(chuàng)新也將永無止境。

關(guān)于作者

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。