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便携式电子中的电池供电策略 摘要： 随着电池在人们的日常生活中日益普及，选择何种电池和低 功耗设计方案，已成为电池供电产品的开发能否取得成功的关键。由于当 今半导体技术的发展比电池技术更加迅速，电源管理设计是使用户深切感 受到产品优劣的关键所在。 关键字： 电池, 设计方案, 解决方案, 芯片, 电感, 开关稳压器 不仅是便携式娱乐设备和手持产品采用电池供电应用，此类应用在绿 色产品中也有用武之地，例如光伏 (PhotoVoltaic,PV) 应用和电动车 (ElectricalVehicle,EV) 等。 随着电池在人们的日常生活中日益普及，选择何种电池和低功耗设计 方案，已成为电池供电产品的开发能否取得成功的关键。由于当今半导体 技术的发展比电池技术更加迅速，电源管理设计是使用户深切感受到产品 优劣的关键所在。 除了安全性、成本和尺寸外，将电池的运行时间最大化并延长其使用 寿命，对于电池供电应用的系统设计来说也是极其重要的。随着用于驱动 便携式应用的电池技术不断增多，需要选择合适的方法来对可充电电池进 行放电和充电。本文首先回顾适用于便携式应用的一般电池策略，然后将 讨论采用当今集成解决方案的电源管理和电池管理电路设计。 主要的电池技术 电池技术可简单地分为两类：不可充电型和可充电型。不可充电电池 在使用一次后即废弃，称为一次性电池。碱性电池是最常见的家用一次性 电池。市面上也有碱性可充电电池，但不在本文的讨论范围内。典型碱性 电池具有大约 1.5V 至 1.65V 的浮动电压，标称电压为 1.2V,寿命结束时的 电压为大约 0.9V. 单节碱性电池寿命结束时的电压可低至 0.7V-0.8V, 具体 取决于负载电流。表 1 展示了一些常见的碱性电池配置。某些应用可采用 多种配置，具体取决于产品外形、系统要求、可用解决方案和功耗预算。 例如，某种无线光电鼠标解决方案的工作电压范围是 1.8V 至 3.2V. 该 鼠标使用 2 节串联配置的碱性电池便可正常工作，无需附加稳压电源。如 果需要极其紧凑的鼠标设计，则 2 节 AA/AAA 碱性电池可能不适用。在这 种情况下，可使用单节 AA/AAA 碱性电池来减少所占空间，但需要用升压 转换器将电压升至 1.8V. 表 1:碱性电池配置的比较 可充电电池被认为是二次电池，每次使用后都可将电量尽可能恢复到 原始状态，直至电池寿命结束。本文将以锂离子电池(Li-Ion) 、锂聚合物电 池(Li-Poly) 和镍氢电池(NiMH) 为例进行说明。镍氢电池是很好的碱性电池 替代品，因为其外形和工作电压范围与碱性电池类似。传统镍氢电池的一 个缺点是自放电率高(每月约 20%, 如表 2 所示) ，但有一家领先的电池制造 商已克服了这一难关，其推出的镍氢电池系列在生产 12 个月后仍可保持至 少 85% 的电容量。恢复镍氢电池的电量有简单且低成本的解决方案，但采 用双重截止充电方法( 通过充电电流和工作环境来指定) 的嵌入式充电器将 获得最优性能。双重截止充电方法结合了温度随时间升高和电压随时间降 低( 或不变) 的特性。 表 2: 电池化学性能的比较 锂离子电池目前被认为是成熟的电池技术，已广泛应用于移动电话和 汽车等领域，因为与十年前相比，其生产成本更低且性能更好。在设计多 节电池系统时，单节标称电压为 3.6V 的电池具有巨大优势，可减少 2/3 的 电池节数。锂离子电池在质量和体积上的高能量密度使其适用于多种便携 式应用，例如个人媒体播放器或无线蓝牙(Bluetooth) 耳机。但是，需要提 供保护电路，以将锂离子电池可能导致的危险( 例如过充或过热) 降至最低 限度。锂离子电池的使用寿命相对较长( 可充电 500-1,000 次) ，如果每天 都对电池充电，在至 12 年后才需要更换。设计合理的锂离子电池电源管理 系统将延长电池使用寿命，并提高整个系统的可靠性。 电池供电应用中的集成电路()IC 除了系统的主芯片组( 如果含有的话) 外，现代电池系统设计通常至少含 有以下集成电路(integrated circuit,IC) 中的一种： 1. 电源管理单元(Power Management Unit,PMU) 2. 单