電池基系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在蜂窩電話、PDA游戲機(jī)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。這些系統(tǒng)需要有效的電源管理以便使設(shè)備尺寸和電池壽命最佳化。

　　電池基電源管理系統(tǒng)包括電池和為系統(tǒng)提供電源的穩(wěn)壓電路。主要的設(shè)計目標(biāo)包括：

　　性能和充電時間間隔指標(biāo)，要通過有效的系統(tǒng)設(shè)計，使電池尺寸最小、重量最輕。

　　在寬輸入電壓范圍內(nèi)提供合適的穩(wěn)定輸出電壓，在電池電壓下降時電池基系統(tǒng)能正常地工作。

　　要求電源管理系統(tǒng)減小印刷電路板大小。

　　功率管理系統(tǒng)最小熱耗，應(yīng)消除復(fù)雜的熱管理，熱管理會增加重量和成本。

　　電源管理系統(tǒng)最佳化的電路布線，應(yīng)避免電磁干擾。

　　高可靠性的電源管理系統(tǒng)。

　　電池選擇

　　為了滿足上述的設(shè)計目標(biāo)，電源管理系統(tǒng)的設(shè)計從電池開始。電池類型有一次電池（或非重新充電電池）和可重新充電電池。

　　一些流行的可重新充電電池包括：

　　鎳鎘（NiCd）電池具有壽命長，高放電率和價格便宜。優(yōu)點是簡單的充電特性，能經(jīng)受多次充電/放電。

　　鎳氫（NiMH）電池：與NiCd電池比具有較高能量密度，但是要以降低壽命為代價，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH儲存效應(yīng)比較小。充電時，NiMH采用更復(fù)雜的充電算法并消耗一些熱量，因此，所需的充電時間比NiCd長。

　　鋰離子（Li-ion）電池：具有高能量密度而且重量輕。當(dāng)今鋰電池以單位重量的最大電化學(xué)勢能和最高能量密度而處于電池的中心位置。鋰離子電池是安全的，它在充電和放電時能提供一定的安全措施。其能量密度是標(biāo)準(zhǔn)NiCd電池的2倍。另外，它具有高容量，其負(fù)載特性是相當(dāng)好的，放電特性類似于NiCd。它相當(dāng)高的電池電壓（2.7~4.2V）使得很多Li-ion電池組只有一個電池組成。壽命為300充電/放電周期，在500周期為50%容量。然而，Li-ion電池需要保護(hù)電路，保護(hù)電路在充電期間限制每個電池的峰值電壓，并阻止放電時電壓下降太低。保護(hù)電路不僅限制最大充電和放電電流，而且監(jiān)控電池溫度。在處理和測試Li-ion電池時應(yīng)小心短路、過充電、壓碎、敲擊、損壞、穿入、反向極性、暴露在高溫或折開電池。

　　只用帶設(shè)計有保護(hù)電路的Li-ion電池。

　　電池（battery）指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流的杯、槽或其他容器或復(fù)合容器的部分空間。隨著科技的進(jìn)步，電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置。如太陽能電池。電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。

　　電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負(fù)極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。在電池反應(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應(yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時電池內(nèi)阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。

　　電池的能量儲存有限，電池所能輸出的總電荷量叫做它的容量，通常用安培小時作單位，它也是電池的一個性能參數(shù)。電池的容量與電極物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)，即與電極的體積有關(guān)。

　　實用的化學(xué)電池可以分成兩個基本類型：原電池與蓄電池。原電池制成后即可以產(chǎn)生電流，但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池，使用前須先進(jìn)行充電，充電后可放電使用，放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時，電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能；放電時，化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的。

　　鋰聚合物（Li-Pol）電池：能量密度與Li-ion電池類似，但使用較安全，并且有較好的封裝靈活性。Li-Pol電池與Li-ion不同的地方是制造堅固性、安全性和薄外形幾何形狀。不像Li-ion電池那樣，不存在易燃性的危險。因為Li-Pol的電極是疊層式的。

　　一些電池組包含一個集成IC保護(hù)電路。此IC防止可能導(dǎo)致過熱的大電流。鋰離子電池組中的電池需要單獨的電壓監(jiān)控。串聯(lián)連接的電池越多，其保護(hù)電路就越復(fù)雜。注意：不要放電低于2.5V的鋰基電池，不然，就切斷電池的保護(hù)電路。

　　所有的電池都會自放電。自放電對于鎳基電池是最顯著的。通常在充電之后的第一個24小時，鎳基電池放電其容量的10%~15%，其后的放電率是每月10%~15%。Li-ion自放電在第一個24小時大約為5%，其后為1%~2%。

充電器

　　充電器通常指的是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設(shè)備。充電器在各個領(lǐng)域用途廣泛，特別是在生活領(lǐng)域被廣泛用于手機(jī)、相機(jī)等等常見電器。充電器是采用電力電子半導(dǎo)體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測試與監(jiān)測、鎘鎳電池充電器、鎳氫電池充電器、鋰離子電池充電器、便攜式電子設(shè)備鋰離子電池充電器、鋰離子電池保護(hù)電路多功能充電器、電動車蓄電池充電器、車充等。

　　充電器按能源使用方式分類

　　普通充電器：用普通家庭用電等通過變壓器提供能源。

　　太陽能充電器：利用太陽能面板收集太陽能

　　無線充電器：利用電磁耦合等原理

　　手搖充電器：利用人力

　　干電池應(yīng)急充：利用1節(jié)到幾節(jié)干電池，提供應(yīng)急充電，一般大概能提供十幾分鐘的電能。

　　用充電器給電池充電時，一定要按電池的充電說明書選用合適規(guī)格的充電器，并正確連接。否則會出現(xiàn)用電器損壞或安全事故，建議選用智能型充電器，因為其保護(hù)完善。一般不會出現(xiàn)事故。

　　二次電池的充電和放電能力是用“C”表示，指示安培一小時（Ah）。實際的電池能力依賴于C率和溫度。大多數(shù)便攜電池額定為1C。1C放電汲取等于額定能力的電流。

　　可重新充電電池的性能和壽命主要依賴于充電器的質(zhì)量。一種充電器（只用于NiCd）加約0.1C固定充電率。一個較快的充電器用大約0.3C充電率可耗時3~6小時。

　　NiMH電池充電器也適合于NiCd電池，但反之不行。鋰基電池充電器需要更嚴(yán)格的算法和電壓。對于大多數(shù)鋰電池組，1C以上充電是不可能的，因為保護(hù)電路限制電路限制電池可接受的電流量。

　　Li-ion電池在達(dá)到滿充電時，每個電池都具有嚴(yán)格的電壓、電壓容限，而且無涓流或浮充電。在1C起始電流對Li-ion電池充電需要3小時左右。在達(dá)到上限電壓閥值以及電流下降和電平超過額定充電電流大約30%時，滿充電會發(fā)生。增大Li-ion充電電流對縮短充電時間會有點影響。盡管用較高的電流可更快地達(dá)到電壓峰值，但充電耗時會比較長。Li-ion電池不能吸收過充電，過充電會導(dǎo)致電池過熱。Li-ion恒流恒壓（CCCV）對于保證最大能量到電池而不過壓是重要的。

　　電壓穩(wěn)壓器與電池的匹配

　　電池輸出連接到電壓穩(wěn)壓器IC的輸入，電壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓器芯片在電池電壓下降時能使電池基系統(tǒng)工作正常。

　　有3種電壓穩(wěn)壓IC拓?fù)溆糜陔姵鼗到y(tǒng)：開關(guān)模式，低壓降（LDO）和電荷泵。沒有單個電壓穩(wěn)壓器IC拓?fù)溥m合所有電池基應(yīng)用。因此，對具體的應(yīng)用應(yīng)選擇合適的電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洹?/p>

　　開關(guān)穩(wěn)壓器

　　開關(guān)穩(wěn)壓器IC接收dc輸入并用脈寬調(diào)制（PWM）來控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和截止時間。然后，整流和濾波開關(guān)輸出，從而提供dc 輸出電壓。dc輸出部分與穩(wěn)壓的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，而任何相應(yīng)的誤差信號導(dǎo)致PWM電路來保持恒定的輸出電壓。

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　　圖1示出通常用于便攜系統(tǒng)電壓穩(wěn)壓的一個簡化、隔離開關(guān)電源。此電源是隔離的，這是因為從輸入到輸出無直通的dc通路，圖中的變壓器提供隔離。開關(guān)電源也可以是非隔離式的，這意味著輸入和輸出間存在直通的通路。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率是一個重要的特性，特別是對于電池基系統(tǒng)而言更是這樣。對效率有主要影響的是相關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻、工作電流和開關(guān)速度決定效率。

　　影響效率的另一因素是輸出整流器配置。一些電壓穩(wěn)壓器IC采用外部肖特基整流器。應(yīng)由快速開關(guān)功率MOSFET構(gòu)成的同步整流器（圖2）替代肖特整流器，這可改善效率。

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　　現(xiàn)在開關(guān)穩(wěn)壓器IC工作在100KHz~2MHz，這會產(chǎn)生影響效率的另外因素。穩(wěn)壓器所采用的磁元件（電感器和變壓器 ）在開關(guān)頻率必須有最小的功耗。更快的開關(guān)頻率考慮采用物理尺寸更小的外部元件，較高的開關(guān)頻率可導(dǎo)致較大的磁芯材料損耗。

　　LDO穩(wěn)壓器

　　LDO穩(wěn)壓器（圖3）是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。差分放大器的一個輸入監(jiān)控輸出比率。差分放大器的第2個輸入來自穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。若輸出電壓相對基準(zhǔn)電壓趨向于升高，則加到功率半導(dǎo)體的驅(qū)動改變，以保持恒定輸出電壓。

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　　LDO借助輸入和輸出電壓之間的差，使IC穩(wěn)定輸出電壓。LDO調(diào)整輸出電壓直到它的輸入和輸出接近于相互之間電壓降為止。理想的電壓降應(yīng)盡可能的低，以使功耗最小和效率最高。

　　LDO穩(wěn)壓器的壓降決定最低可用電源電壓。對于標(biāo)定的3~5.5V輸入可標(biāo)定LDO提供3.3V輸出。在150mA，100mV壓降正在變得更標(biāo)準(zhǔn)化。

　　現(xiàn)有的LDO穩(wěn)壓器可提供可調(diào)或固定輸出電壓。固定輸出型LDO的輸出電壓變化為±2%~±6%，通常提供1~5V范圍的輸出。

　　輸出噪聲是LDO穩(wěn)壓器需考慮的另一問題。通常在寬范圍內(nèi)額定指標(biāo)是微伏rms。

　　電荷泵

　　電荷泵稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”（flying）或“泵送”電容（而非電感或變壓器）來儲能的DC-DC（變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)（0.5,2或3）倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達(dá)80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI（電磁干擾 ）

　　電荷泵可分為：1開關(guān)式調(diào)整器升壓泵 、2無調(diào)整電容式電荷泵 、3可調(diào)整電容式電荷泵。

　　電荷泵（開關(guān)電容器）IC提供dc-dc電壓變換，是用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)充電和放電一個或多個電容器。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在電容器的充電和放電狀態(tài)之間觸發(fā)。

　　如圖4所示，電容器C1穿梭充電，電容器C2保持電荷和濾波輸出電壓。

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　　基本的電荷泵缺乏穩(wěn)壓，通常要增加線性穩(wěn)壓或電荷泵調(diào)制。線性穩(wěn)壓具有最低的輸出噪聲，所以能提供較好的性能。電荷泵調(diào)制（控制開關(guān)電阻）對于給定的裸片大小（或成本）能提供額外輸出電流，因為穩(wěn)壓器IC不需要包含串聯(lián)通路晶體管。

　　電荷泵的主要優(yōu)點是消除了與電感器或變壓器有關(guān)的磁場和EMI。存在的一個可能的EMI源是在輸入源或另外電容器連接不同電壓時，高充電電流流到電容器C1。穩(wěn)定的電荷泵降壓效率大于LDO，但小于電感開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　選擇正確的穩(wěn)壓器拓?fù)?/p>

　　合適的電壓穩(wěn)壓器拓?fù)溥x擇從來自電池的輸入電壓和負(fù)載所需的電壓和電流著手。在已知這些參數(shù)后，就可開始選擇最佳電壓穩(wěn)壓器IC的進(jìn)程。

　　關(guān)鍵的參數(shù)包括：

　　最大輸出電流：電壓穩(wěn)壓器必須在所有工作條件下能提供負(fù)載所需的最大電流。一些穩(wěn)壓器可提供高達(dá)10A的電流，而另外一些穩(wěn)壓器僅給出200~300mA。

　　最大輸出電壓：所需的輸出電壓取決于具體應(yīng)用。某些拓?fù)淇商峁?0V或更高電壓，而另外拓?fù)涮峁?0V以下電壓。來自電池的輸入電壓也可影響電壓穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的最大電壓。

　　效率：效率是輸出功率與輸入功率之比，效率主要影響可用的電池壽命。效率越高，壽命越長。

　　大小和重量：物理尺寸和重量主要取決于電壓穩(wěn)壓器所需的外部元件數(shù)，電壓穩(wěn)壓器會影響電路板空間和設(shè)備尺寸。

　　EMI：電路板布線或電壓穩(wěn)壓器中的開關(guān)電路可能引起傳導(dǎo)和輻射EMI。

　　電源管理

　　不同負(fù)載需要不同的電池和不同的方法來管理電池電源和負(fù)載。表1給出3個主要應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

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　　關(guān)鍵的設(shè)計折衷考慮

　　電池基系統(tǒng)性能低的最佳化需要折衷考慮電池、電壓穩(wěn)壓器和負(fù)載。

　　電池能量（安培一小時）與電池大小和重量的關(guān)系。

　　一次與二次電池比較。

　　熱量與處理器控制的電池監(jiān)控器的關(guān)系。

　　電池類型與充電要求的關(guān)系。

　　電池類型與保護(hù)要求的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c負(fù)載要求的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c效率的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洌üβ瘦敵觯┡c熱管理的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洌üβ瘦敵觯┡c半導(dǎo)體封裝大小的關(guān)系。

　　線性與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較。

　　開關(guān)頻率與EMI的關(guān)系。

　　開關(guān)頻率與電路板大小/空間要求的比較

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