电池基电源管理系统的设计分析

2012-02-02

电池基系统广泛地应用在蜂窝电话、PDA游戏机、医疗仪器等领域。这些系统需要有效的电源管理以便使设备尺寸和电池寿命最佳化。

　　电池基电源管理系统包括电池和为系统提供电源的稳压电路。主要的设计目标包括：

　　性能和充电时间间隔指标，要通过有效的系统设计，使电池尺寸最小、重量最轻。

　　在宽输入电压范围内提供合适的稳定输出电压，在电池电压下降时电池基系统能正常地工作。

　　要求电源管理系统减小印刷电路板大小。

　　功率管理系统最小热耗，应消除复杂的热管理，热管理会增加重量和成本。

　　电源管理系统最佳化的电路布线，应避免电磁干扰。

　　高可靠性的电源管理系统。

　　电池选择

　　为了满足上述的设计目标，电源管理系统的设计从电池开始。电池类型有一次电池（或非重新充电电池）和可重新充电电池。

　　一些流行的可重新充电电池包括：

　　镍镉（NiCd）电池具有寿命长，高放电率和价格便宜。优点是简单的充电特性，能经受多次充电/放电。

　　镍氢（NiMH）电池：与NiCd电池比具有较高能量密度，但是要以降低寿命为代价，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH储存效应比较小。充电时，NiMH采用更复杂的充电算法并消耗一些热量，因此，所需的充电时间比NiCd长。

　　锂离子（Li-ion）电池：具有高能量密度而且重量轻。当今锂电池以单位重量的最大电化学势能和最高能量密度而处于电池的中心位置。锂离子电池是安全的，它在充电和放电时能提供一定的安全措施。其能量密度是标准NiCd电池的2倍。另外，它具有高容量，其负载特性是相当好的，放电特性类似于NiCd。它相当高的电池电压（2.7~4.2V）使得很多Li-ion电池组只有一个电池组成。寿命为300充电/放电周期，在500周期为50%容量。然而，Li-ion电池需要保护电路，保护电路在充电期间限制每个电池的峰值电压，并阻止放电时电压下降太低。保护电路不仅限制最大充电和放电电流，而且监控电池温度。在处理和测试Li-ion电池时应小心短路、过充电、压碎、敲击、损坏、穿入、反向极性、暴露在高温或折开电池。

　　只用带设计有保护电路的Li-ion电池。

　　电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。

　　电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。

　　电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个性能参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。

　　实用的化学电池可以分成两个基本类型：原电池与蓄电池。原电池制成后即可以产生电流，但在放电完毕即被废弃。蓄电池又称为二次电池，使用前须先进行充电，充电后可放电使用，放电完毕后还可以充电再用。蓄电池充电时，电能转换成化学能；放电时，化学能转换成电能的。

　　锂聚合物（Li-Pol）电池：能量密度与Li-ion电池类似，但使用较安全，并且有较好的封装灵活性。Li-Pol电池与Li-ion不同的地方是制造坚固性、安全性和薄外形几何形状。不像Li-ion电池那样，不存在易燃性的危险。因为Li-Pol的电极是叠层式的。

　　一些电池组包含一个集成IC保护电路。此IC防止可能导致过热的大电流。锂离子电池组中的电池需要单独的电压监控。串联连接的电池越多，其保护电路就越复杂。注意：不要放电低于2.5V的锂基电池，不然，就切断电池的保护电路。

　　所有的电池都会自放电。自放电对于镍基电池是最显着的。通常在充电之后的第一个24小时，镍基电池放电其容量的10%~15%，其后的放电率是每月10%~15%。Li-ion自放电在第一个24小时大约为5%，其后为1%~2%。

充电器

　　充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。

　　充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、阀控密封铅酸蓄电池的测试与监测、镉镍电池充电器、镍氢电池充电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、电动车蓄电池充电器、车充等。

　　充电器按能源使用方式分类

　　普通充电器：用普通家庭用电等通过变压器提供能源。

　　太阳能充电器：利用太阳能面板收集太阳能

　　无线充电器：利用电磁耦合等原理

　　手摇充电器：利用人力

　　干电池应急充：利用1节到几节干电池，提供应急充电，一般大概能提供十几分钟的电能。

　　用充电器给电池充电时，一定要按电池的充电说明书选用合适规格的充电器，并正确连接。否则会出现用电器损坏或安全事故，建议选用智能型充电器，因为其保护完善。一般不会出现事故。

　　二次电池的充电和放电能力是用“C”表示，指示安培一小时（Ah）。实际的电池能力依赖于C率和温度。大多数便携电池额定为1C。1C放电汲取等于额定能力的电流。

　　可重新充电电池的性能和寿命主要依赖于充电器的质量。一种充电器（只用于NiCd）加约0.1C固定充电率。一个较快的充电器用大约0.3C充电率可耗时3~6小时。

　　NiMH电池充电器也适合于NiCd电池，但反之不行。锂基电池充电器需要更严格的算法和电压。对于大多数锂电池组，1C以上充电是不可能的，因为保护电路限制电路限制电池可接受的电流量。

　　Li-ion电池在达到满充电时，每个电池都具有严格的电压、电压容限，而且无涓流或浮充电。在1C起始电流对Li-ion电池充电需要3小时左右。在达到上限电压阀值以及电流下降和电平超过额定充电电流大约30%时，满充电会发生。增大Li-ion充电电流对缩短充电时间会有点影响。尽管用较高的电流可更快地达到电压峰值，但充电耗时会比较长。Li-ion电池不能吸收过充电，过充电会导致电池过热。Li-ion恒流恒压（CCCV）对于保证最大能量到电池而不过压是重要的。

　　电压稳压器与电池的匹配

　　电池输出连接到电压稳压器IC的输入，电压稳压器系统负载提供稳定的电压。稳压器芯片在电池电压下降时能使电池基系统工作正常。

　　有3种电压稳压IC拓扑用于电池基系统：开关模式，低压降（LDO）和电荷泵。没有单个电压稳压器IC拓扑适合所有电池基应用。因此，对具体的应用应选择合适的电压稳压器拓扑。

　　开关稳压器

　　开关稳压器IC接收dc输入并用脉宽调制（PWM）来控制功率半导体开关的导通和截止时间。然后，整流和滤波开关输出，从而提供dc 输出电压。dc输出部分与稳压的基准电压进行比较，而任何相应的误差信号导致PWM电路来保持恒定的输出电压。

　　图1示出通常用于便携系统电压稳压的一个简化、隔离开关电源。此电源是隔离的，这是因为从输入到输出无直通的dc通路，图中的变压器提供隔离。开关电源也可以是非隔离式的，这意味着输入和输出间存在直通的通路。开关稳压器的效率是一个重要的特性，特别是对于电池基系统而言更是这样。对效率有主要影响的是相关的功率半导体开关，它的导通电阻、工作电流和开关速度决定效率。

　　影响效率的另一因素是输出整流器配置。一些电压稳压器IC采用外部肖特基整流器。应由快速开关功率MOSFET构成的同步整流器（图2）替代肖特整流器，这可改善效率。

　　现在开关稳压器IC工作在100KHz~2MHz，这会产生影响效率的另外因素。稳压器所采用的磁元件（电感器和变压器）在开关频率必须有最小的功耗。更快的开关频率考虑采用物理尺寸更小的外部元件，较高的开关频率可导致较大的磁芯材料损耗。

　　LDO稳压器

　　LDO稳压器（图3）是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的 LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。差分放大器的一个输入监控输出比率。差分放大器的第2个输入来自稳定的电压基准。若输出电压相对基准电压趋向于升高，则加到功率半导体的驱动改变，以保持恒定输出电压。

　　LDO借助输入和输出电压之间的差，使IC稳定输出电压。LDO调整输出电压直到它的输入和输出接近于相互之间电压降为止。理想的电压降应尽可能的低，以使功耗最小和效率最高。

　　LDO稳压器的压降决定最低可用电源电压。对于标定的3~5.5V输入可标定LDO提供3.3V输出。在150mA，100mV压降正在变得更标准化。

　　现有的LDO稳压器可提供可调或固定输出电压。固定输出型LDO的输出电压变化为±2%~±6%，通常提供1~5V范围的输出。

　　输出噪声是LDO稳压器需考虑的另一问题。通常在宽范围内额定指标是微伏rms。

电荷泵

　　电荷泵称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”（flying）或“泵送”电容（而非电感或变压器）来储能的DC-DC（变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数（0.5,2或3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI（电磁干扰）

　　电荷泵可分为：1开关式调整器升压泵、2无调整电容式电荷泵、3可调整电容式电荷泵。

　　电荷泵（开关电容器）IC提供dc-dc电压变换，是用开关网络充电和放电一个或多个电容器。开关网络在电容器的充电和放电状态之间触发。

　　如图4所示，电容器C1穿梭充电，电容器C2保持电荷和滤波输出电压。