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。
隨著(zhù)電池在人們的日常生活中日益普及，選擇何種電池和低功耗設計方案，已成為電池供電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能否取得成功的關(guān)鍵。由于當今半導體技術(shù)的發(fā)展比電池技術(shù)更加迅速，電源管理設計是使用戶(hù)深切感受到產(chǎn)品優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。
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（）IC
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。

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。
圖2展示了兩種LDO（MCP1700與TC1017）的效率比較圖。負載電流很�。ㄈ�100μA）時(shí)，MCP1700 LDO的 效率比TC1017高25%。但是，在負載電流超過(guò)
10 mA后，兩種器件間的差異便不是很明顯了，如圖1所示。此結果也證明了公式4。

盡管低IQ可延長(cháng)待機時(shí)間，但也存在與此相關(guān)聯(lián)的性能下降問(wèn)題，例如對線(xiàn)路瞬變和負載的響應時(shí)間變長(cháng)，以及對電源噪聲的抑制能力變弱。圖2展示了一個(gè)負載響應時(shí)間的示例。圖2的結果表明，如果性能對于設計很重要，不容有任何損失，那么在不提高成本的情況下，很難保持較低的IQ�？朔�此障礙的另一種方法是選擇具有關(guān)斷或待機功能的器件。例如，MCP1802 LDO工作在10 kHz時(shí)的電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）高達70dB，但其只消耗25μA的靜態(tài)電流。處于關(guān)斷模式時(shí)，MCP1802 LDO僅提供10nA的典型待機電流。這一便利的功能有助于在系統關(guān)閉時(shí)將功耗降至最低。開(kāi)關(guān)穩壓器和MCU等器件可采用相同的理論來(lái)延長(cháng)待機時(shí)間。

開(kāi)關(guān)電容穩壓器也稱(chēng)為電荷泵。此概念包括倍壓器、分壓器、負壓發(fā)生器和直流－直流穩壓器等。為了將電荷泵用作穩壓器，器件通常先將電壓倍增，然后將穩壓后的電壓送至所需輸出。當輸入電壓與輸出電壓之間的差異較小時(shí)，轉換過(guò)程中會(huì )有能量損失。因此，可使用多級電荷泵來(lái)幫助提高效率。
圖3a和3b展示了MCP1256系列的雙模式電荷泵操作。

充電階段完成后，傳輸階段開(kāi)始。此階段將能量從快速電容傳輸至輸出。MCP1256/7/8/9器件會(huì )自動(dòng)在1.5X模式與2X模式之間切換。這決定了在能量傳輸至輸出后，快速電容是改為并聯(lián)（1.5X模式）還是保持串聯(lián)（2X模式）。傳輸模式?jīng)Q定了閉合哪些開(kāi)關(guān)以進(jìn)行傳輸。

公式5用于計算1.5X工作模式下的效率，而公式6用于計算2X工作模式下的效率。圖4顯示了多級電荷泵的模式轉換和特性。隨著(zhù)負載的增加，最小輸入電壓也會(huì )增加。因此，實(shí)際的最小輸入電壓與所需負載電流相關(guān)聯(lián)。輸入接近于輸出時(shí)，1.5X工作模式可提高效率。
相似的多工作模式概念同樣適用于直流－直流轉換器。圖5展示了典型升壓轉換器的應用電路。除了脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）和脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）模式外，轉換器還可工作在旁路模式下，以將特定情況下的不必要功耗降至最低。

單片機（MCU）對延長(cháng)電池壽命也起到重要作用現在的MCU廠(chǎng)商不僅致力于最大化處理速度，而且還在不斷嘗試在性能與功耗之間找到平衡點(diǎn)，尤其是在電池供電應用中。由于當今器件所需晶體管數不斷增加，傳統休眠模式已無(wú)法再滿(mǎn)足現代系統設計人員與消費者的需求。許多MCU廠(chǎng)商嘗試提供深度休眠模式來(lái)滿(mǎn)足這些需求。
典型MCU功耗主要分為兩類(lèi)——靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。晶體管的泄漏功耗為靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗發(fā)生在運行時(shí)。nanoWatt XLP是一項可采用的技術(shù)，旨在提供比上一代休眠方法更長(cháng)的電池壽命。nanoWatt XLP技術(shù)可為欠壓復位（Brown-out Reset，BOR）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和看門(mén)狗定時(shí)器提供更小的電流。
表3顯示了各類(lèi)具有深度休眠模式的MCU，該模式可提供更長(cháng)的待機時(shí)間，并且可以很好地與前文所述的電源管理IC配合工作。

為幫助設計人員估算電池運行時(shí)間，MCU廠(chǎng)商提供了可根據輸入信息來(lái)計算電池可能壽命的工具。利用估算器工具，產(chǎn)品設計人員可確定適合目標應用的電池，并了解如何通過(guò)所選元件將運行時(shí)間最大化。圖6中所示的nanoWatt XLP電池壽命估算器即為此類(lèi)工具之一。
恢復可充電電池的電量有多種不同方法。嵌入式充電系統的靈活性最高，而分立式充電管理單元可實(shí)現緊湊設計。當然，總是存在不用管理充電過(guò)程的低成本方法。我們不建議使用這種方法，尤其是分立式IC現在已經(jīng)非常便宜的情況下�，F代充電管理系統采用各種各樣的充電方法為鎳氫或鋰離子電池充電。圖7展示了典型的電池充電管理系統IC，該IC需要最少量的外部元件，有助于減少設計尺寸和成本。在將IC發(fā)貨給產(chǎn)品制造商之前，所需功能已在IC供應商工廠(chǎng)內完成內置和預設。此IC包括1至2節鋰離子和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，其集成參考電壓范圍為3.6V至9V。具有可選截止電流比的CC-CV工作模式將滿(mǎn)足各種需求。

許多公司和研究機構正在開(kāi)發(fā)磷酸鐵可充電鋰電池。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池已開(kāi)始在便攜式應用中嶄露頭角，原因是其可充電次數多（通常為1,000－2,000次）、溫度范圍廣且穩定耐用。迄今為止，磷酸鐵鋰電池尚無(wú)適用的標準。例如，參考充電電壓范圍為3.6V至4.1V。因此，不同制造商生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池的性能也各不相同。磷酸鐵鋰電池具有與鋰離子電池相同的CC-CV充電算法。
為滿(mǎn)足某些地區的安全要求，分立式電池充電管理器件提供了輸入電壓保護、電池短路保護、預充電定時(shí)器、耗時(shí)定時(shí)器和錯誤指示燈等功能。
結論
便攜式產(chǎn)品仍在改變人們的生活方式。但是，仍然很難在不增加器件尺寸和重量的情況下保持產(chǎn)品長(cháng)時(shí)間運行。對于低功耗設計，所有相關(guān)元件（從模擬器件到數字單元）都必須滿(mǎn)足設計的電流預算。除了選擇低供電電流器件外，建議設計人員在保持性能等級的同時(shí)，盡量利用各種省電技術(shù)，例如基于負載的多模功率轉換設計、輸入至輸出旁路設計以及待機等等。
本文提及的電池特性和參數僅供參考。在啟動(dòng)任何電池供電項目前，產(chǎn)品設計人員都應咨詢(xún)電池制造商。