不僅是便攜式娛樂設(shè)備和手持產(chǎn)品采用電池供電應(yīng)用,此類應(yīng)用在綠色產(chǎn)品中也有用武之地,例如光伏(PhotoVoltaic,PV)應(yīng)用和電動車(ElectricalVehicle,EV)等。除了安全性、成本和尺寸外,將電池的運行時間最大化并延長其使用壽命,對于電池供電應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計來說也是極其重要的。隨著用于驅(qū)動便攜式應(yīng)用的電池技術(shù)不斷增多,需要選擇合適的方法來對可充電電池進行放電和充電。本文首先回顧適用于便攜式應(yīng)用的一般電池策略,然后將討論采用當(dāng)今集成解決方案的電源管理和電池管理電路設(shè)計。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/175926.htm主要的電池技術(shù)
電池技術(shù)可簡單地分為兩類: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,稱為一次性電池。堿性電池是最常見的家用一次性電池。市面上也有堿性可充電電池,但不在本文的討論范圍內(nèi)。典型堿性電池具有大約1.5V至1.65V的浮動電壓,標(biāo)稱電壓為1.2V,壽命結(jié)束時的電壓為大約0.9V.單節(jié)堿性電池壽命結(jié)束時的電壓可低至0.7V-0.8V,具體取決于負載電流。表1展示了一些常見的堿性電池配置。某些應(yīng)用可采用多種配置,具體取決于產(chǎn)品外形、系統(tǒng)要求、可用解決方案和功耗預(yù)算。
例如,某種無線光電鼠標(biāo)解決方案的工作電壓范圍是1.8V至3.2V.該鼠標(biāo)使用2節(jié)串聯(lián)配置的堿性電池便可正常工作,無需附加穩(wěn)壓電源。如果需要極其緊湊的鼠標(biāo)設(shè)計,則2節(jié)AA/AAA堿性電池可能不適用。在這種情況下,可使用單節(jié)AA/AAA堿性電池來減少所占空間,但需要用升壓轉(zhuǎn)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(fù)到原始狀態(tài),直至電池壽命結(jié)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)為例進行說明。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似。傳統(tǒng)鎳氫電池的一個缺點是自放電率高(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個月后仍可保持至少85%的電容量?;謴?fù)鎳氫電池的電量有簡單且低成本的解決方案,但采用雙重截止充電方法(通過充電電流和工作環(huán)境來指定)的嵌入式充電器將獲得最優(yōu)性能。雙重截止充電方法結(jié)合了溫度隨時間升高和電壓隨時間降低(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(yīng)用于移動電話和汽車等領(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(shè)計多節(jié)電池系統(tǒng)時,單節(jié)標(biāo)稱電壓為3.6V的電池具有巨大優(yōu)勢,可減少2/3的電池節(jié)數(shù)。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(yīng)用,例如個人媒體播放器或無線藍牙(Bluetooth)耳機。但是,需要提供保護電路,以將鋰離子電池可能導(dǎo)致的危險(例如過充或過熱)降至最低限度。鋰離子電池的使用壽命相對較長(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(shè)計合理的鋰離子電池電源管理系統(tǒng)將延長電池使用壽命,并提高整個系統(tǒng)的可靠性。
電池供電應(yīng)用中的集成電路
除了系統(tǒng)的主芯片組(如果含有的話)外,現(xiàn)代電池系統(tǒng)設(shè)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(dāng)拓撲以延長電池運行時間并達到設(shè)計目標(biāo)。
PMU在系統(tǒng)中提供調(diào)節(jié)后的電壓或電流。某些穩(wěn)壓功能集成在主芯片組內(nèi)。但是,由于布線復(fù)雜性、EMI問題和性能不足(包括電源輸出通道數(shù)不夠或負載能力不足等),仍需要單片式轉(zhuǎn)換器。單片式電壓轉(zhuǎn)換器可提供單個或多個輸出。
電池供電應(yīng)用常用的功率調(diào)節(jié)拓撲包括但不限于線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容穩(wěn)壓器和電感開關(guān)穩(wěn)壓器。所有這些拓撲的功能都是一樣的,即在設(shè)計的電流范圍內(nèi)對輸出電壓進行穩(wěn)壓(如直流-直流轉(zhuǎn)換器),或在指定的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流(如LED驅(qū)動器)。每種拓撲可能都需要單獨一篇文章來進行介紹。本文重點介紹電源管理設(shè)計的基礎(chǔ)知識。
在選擇穩(wěn)壓器時,很容易想到低壓差穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,LDO)。LDO的EMI問題最少,并且需要的外部元件數(shù)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,
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,效率可簡化為輸出電壓除以輸入電壓,如公式4所示。在電池供電設(shè)計中,IQ非常重要,因為待機時間將決定更換一次性電池的頻率或?qū)Χ坞姵剡M行充電的頻率。延長待機時間的方法之一是選擇低IQ器件。
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