不僅是便攜式娛樂(lè )設備和手持產(chǎn)品采用電池供電應用，此類(lèi)應用在綠色產(chǎn)品中也有用武之地，例如光伏（PhotoVoltaic,PV）應用和電動(dòng)車(chē)（ElectricalVehicle,EV）等。除了安全性、成本和尺寸外，將電池的運行時(shí)間最大化并延長(cháng)其使用壽命，對于電池供電應用的系統設計來(lái)說(shuō)也是極其重要的。隨著(zhù)用于驅動(dòng)便攜式應用的電池技術(shù)不斷增多，需要選擇合適的方法來(lái)對可充電電池進(jìn)行放電和充電。本文首先回顧適用于便攜式應用的一般電池策略，然后將討論采用當今集成解決方案的電源管理和電池管理電路設計。
 
主要的電池技術(shù)

電池技術(shù)可簡(jiǎn)單地分為兩類(lèi)：不可充電型和可充電型。不可充電電池在使用一次后即廢棄，稱(chēng)為一次性電池。堿性電池是最常見(jiàn)的家用一次性電池。市面上也有堿性可充電電池，但不在本文的討論范圍內。典型堿性電池具有大約1.5V至1.65V的浮動(dòng)電壓，標稱(chēng)電壓為1.2V,壽命結束時(shí)的電壓為大約0.9V.單節堿性電池壽命結束時(shí)的電壓可低至0.7V-0.8V,具體取決于負載電流。表1展示了一些常見(jiàn)的堿性電池配置。某些應用可采用多種配置，具體取決于產(chǎn)品外形、系統要求、可用解決方案和功耗預算。
 
例如，某種無(wú)線(xiàn)光電鼠標解決方案的工作電壓范圍是1.8V至3.2V.該鼠標使用2節串聯(lián)配置的堿性電池便可正常工作，無(wú)需附加穩壓電源。如果需要極其緊湊的鼠標設計，則2節AA/AAA堿性電池可能不適用。在這種情況下，可使用單節AA/AAA堿性電池來(lái)減少所占空間，但需要用升壓轉換器將電壓升至1.8V。

表1：堿性電池配置的比較

 
可充電電池被認為是二次電池，每次使用后都可將電量盡可能恢復到原始狀態(tài)，直至電池壽命結束。本文將以鋰離子電池（Li-Ion）、鋰聚合物電池（Li-Poly）和鎳氫電池（NiMH）為例進(jìn)行說(shuō)明。鎳氫電池是很好的堿性電池替代品，因為其外形和工作電壓范圍與堿性電池類(lèi)似。傳統鎳氫電池的一個(gè)缺點(diǎn)是自放電率高（每月約20%,如表2所示），但有一家領(lǐng)先的電池制造商已克服了這一難關(guān)，其推出的鎳氫電池系列在生產(chǎn)12個(gè)月后仍可保持至少85%的電容量�；謴玩嚉潆姵氐碾娏坑泻�(jiǎn)單且低成本的解決方案，但采用雙重截止充電方法（通過(guò)充電電流和工作環(huán)境來(lái)指定）的嵌入式充電器將獲得最優(yōu)性能。雙重截止充電方法結合了溫度隨時(shí)間升高和電壓隨時(shí)間降低（或不變）的特性。
 
表2：電池化學(xué)性能的比較

 
鋰離子電池目前被認為是成熟的電池技術(shù)，已廣泛應用于移動(dòng)電話(huà)和汽車(chē)等領(lǐng)域，因為與十年前相比，其生產(chǎn)成本更低且性能更好。在設計多節電池系統時(shí)，單節標稱(chēng)電壓為3.6V的電池具有巨大優(yōu)勢，可減少2/3的電池節數。鋰離子電池在質(zhì)量和體積上的高能量密度使其適用于多種便攜式應用，例如個(gè)人媒體播放器或無(wú)線(xiàn)藍牙（Bluetooth）耳機。但是，需要提供保護電路，以將鋰離子電池可能導致的危險（例如過(guò)充或過(guò)熱）降至最低限度。鋰離子電池的使用壽命相對較長(cháng)（可充電500-1,000次），如果每天都對電池充電，在至12年后才需要更換。設計合理的鋰離子電池電源管理系統將延長(cháng)電池使用壽命，并提高整個(gè)系統的可靠性。
 
電池供電應用中的集成電路

除了系統的主芯片組（如果含有的話(huà)）外，現代電池系統設計通常至少含有以下集成電路（integrated circuit,IC）中的一種：
 
1. 電源管理單元（Power Management Unit,PMU）
2. 單片機單元（Microcontroller Unit,MCU）
3. 電池管理單元（Battery Management Unit,BMU）
 
本部分將討論這些IC以及如何選擇適當拓撲以延長(cháng)電池運行時(shí)間并達到設計目標。
 
PMU在系統中提供調節后的電壓或電流。某些穩壓功能集成在主芯片組內。但是，由于布線(xiàn)復雜性、EMI問(wèn)題和性能不足（包括電源輸出通道數不夠或負載能力不足等），仍需要單片式轉換器。單片式電壓轉換器可提供單個(gè)或多個(gè)輸出。
 
電池供電應用常用的功率調節拓撲包括但不限于線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)電容穩壓器和電感開(kāi)關(guān)穩壓器。所有這些拓撲的功能都是一樣的，即在設計的電流范圍內對輸出電壓進(jìn)行穩壓（如直流-直流轉換器），或在指定的電壓范圍內調節電流（如LED驅動(dòng)器）。每種拓撲可能都需要單獨一篇文章來(lái)進(jìn)行介紹。本文重點(diǎn)介紹電源管理設計的基礎知識。
 
在選擇穩壓器時(shí)，很容易想到低壓差穩壓器（Low Dropout Regulator,LDO）。LDO的EMI問(wèn)題最少，并且需要的外部元件數通常也最少。
 
POUT = VOUT x IOUT 公式1
PIN = VIN x （IOUT + IQ） 公式2
η = POUT / PIN = VOUT x IOUT / VIN x （IOUT + IQ） 公式3
IQ 《 IOUT時(shí)，
η = VOUT / VIN 公式4
 
圖1演示了LDO的效率。如果輸出電流遠大于靜態(tài)電流（IQ），則可以忽略IQ.對于線(xiàn)性電路，輸入電流等于輸出電流與靜態(tài)電流之和。因此，效率可簡(jiǎn)化為輸出電壓除以輸入電壓，如公式4所示。在電池供電設計中，IQ非常重要，因為待機時(shí)間將決定更換一次性電池的頻率或對二次電池進(jìn)行充電的頻率。延長(cháng)待機時(shí)間的方法之一是選擇低IQ器件。