电池供电应用的集成电路

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 目前,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(Electrical Vehicle,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。


表1:碱性电池配置的比较

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。

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耳机。但是,需要提供保护电路,从而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到1,000次),如果每天都对电池充电,在1至2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中的一种:

1.电源管理单元(Power Management Unit,PMU)

2.单片机单元(Microcontroller Unit,MCU)

3.电池管理单元(Battery Management Unit,BMU)

本部分将讨论这些IC以及如何选择适当拓扑以延长电池运行时间并达到设计目标。

PMU在系统中提供调节后的电压或电流。某些稳压功能集成在主芯片组内。但是,由于布线复杂、EMI问题和性能不足(包括电源输出通道数不够或负载能力不足等),仍需要单片式转换器。单片式电压转换器可提供单个或多个输出。

电池供电应用常用的功率调节拓扑包括但不限于线性稳压器、开关电容稳压器和电感开关稳压器。所有这些拓扑的功能都是一样的,即在设计的电流范围内对输出电压进行稳压(如直流-直流转换器),或在指定的电压范围内调节电流(如LED驱动器)。每种拓扑可能都需要单独一篇文章来进行介绍。本文重点介绍电源管理设计的基础知识。

在选择稳压器时,很容易想到低压差稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)。LDO的EMI问题最少,并且需要的外部元件数通常也最少。

图1演示了LDO的效率。如果输出电流远大于静态电流(IQ),则可以忽略IQ。对于线性电路,输入电流等于输出电流与静态电流之和。因此,效率可简化为输出电压除以输入电压,如公式4所示。在电池供电设计中,IQ非常重要,因为待机时间将决定更换一次性电池的频率或对二次电池进行充电的频率。延长待机时间的方法之一是选择低IQ器件。


图1 LDO效率与输出电流的关系

图2展示了两种LDO(MCP1700与TC1017)的效率比较图。负载电流很小(如100µA)时,MCP1700 LDO的效率比TC1017高25%。但是,在负载电流超过10mA后,两种器件间的差异便不是很明显了,如图1所示。此结果也证明了公式4。

尽管低IQ可延长待机时间,但也存在与此相关联的性能下降问题,例如对线路瞬变和负载的响应时间变长,以及对电源噪声的抑制能力变弱。图2展示了一个负载响应时间的示例。图2的结果表明,如果性能对于设计很重要,不容有任何损失,那么在不提高成本的情况下,很难保持较低的IQ。克服此障碍的另一种方法是选择具有关断或待机功能的器件。例如,MCP1802 LDO工作在10kHz时的电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR)高达70dB,但其只消耗25µA的静态电流。处于关断模式时,MCP1802 LDO仅提供10nA的典型待机电流。这一便利的功能有助于在系统关闭时将功耗降至最低。开关稳压器和MCU等器件可采用相同的理论来延长待机时间。


图2 MCP1700与TC1017的LDO负载阶跃响应比较

开关电容稳压器也称为电荷泵。此概念包括倍压器、分压器、负压发生器和直流-直流稳压器等。为了将电荷泵用作稳压器,器件通常先将电压倍增,然后将稳压后的电压送至所需输出。当输入电压与输出电压之间的差异较小时,转换过程中会有能量损失。因此,可使用多级电荷泵来帮助提高效率。

图3a和3b展示了MCP1256系列的双模式电荷泵操作。


图3a MCP1256/7/8/9电荷泵的1.5X能量传输操作


图3b MCP1256/7/8/9电荷泵的2X能量传输操作

充电阶段完成后,传输阶段开始。此阶段将能量从快速电容传输至输出。MCP1256/7/8/9器件会自动在1.5X模式与2X模式之间切换。这决定了在能量传输至输出后,快速电容是改为并联(1.5X模式)还是保持串联(2X模式)。传输模式决定了闭合哪些开关以进行传输。

公式5

公式6

公式5用于计算1.5X工作模式下的效率,而公式6用于计算2X工作模式下的效率。图4显示了多级电荷泵的模式转换和特性。随着负载的增加,最小输入电压也会增加。因此,实际的最小输入电压与所需负载电流相关联。输入接近于输出时,1.5X工作模式可提高效率。


图4 MCP1256/7/8/9电荷泵效率与VIN的关系

相似的多工作模式概念同样适用于直流-直流转换器。图5展示了典型升压转换器的应用电路。除了脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)和脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)模式外,转换器还可工作在旁路模式下,从而将特定情况下的不必要功耗降至最低。


图5 MCP1640电路配置(6引脚SOT-23封装)

单片机(MCU)对延长电池寿命也起到重要作用现在的MCU厂商不仅致力于最大化处理速度,而且还在不断尝试在性能与功耗之间找到平衡点,尤其是在电池供电应用中。由于当今器件所需晶体管数不断增加,传统休眠模式已无法再满足现代系统设计人员与消费者的需求。许多MCU厂商尝试提供深度休眠模式来满足这些需求。

典型MCU功耗主要分为两类——静态功耗和动态功耗。晶体管的泄漏功耗为静态功耗。动态功耗发生在运行时。nanoWatt XLP是一项可采用的技术,旨在提供比上一代休眠方法更长的电池寿命。nanoWatt XLP技术可为欠压复位(Brown-out Reset,BOR)、实时时钟/日历和看门狗定时器提供更小的电流。

表3显示了各类具有深度休眠模式的MCU,该模式可提供更长的待机时间,并且可以很好地与前文所述的电源管理IC配合工作。


表3:深度休眠模式MCU示例

为帮助设计人员估算电池运行时间,MCU厂商提供了可根据输入信息来计算电池可能寿命的工具。利用估算器工具,产品设计人员可确定适合目标应用的电池,并了解如何通过所选元件将运行时间最大化。图6中所示的nanoWatt XLP电池寿命估算器即为此类工具之一。


图6 电池寿命估算器GUI示例

恢复可充电电池的电量有多种不同方法。嵌入式充电系统的灵活性最高,而分立式充电管理单元可实现紧凑设计。当然,总是存在不用管理充电过程的低成本方法。我们不建议使用这种方法,尤其是分立式IC现在已经非常便宜的情况下。现代充电管理系统采用各种各样的充电方法为镍氢或锂离子电池充电。图7展示了典型的电池充电管理系统IC,该IC需要最少量的外部元件,有助于减少设计尺寸和成本。在将IC发货给产品制造商之前,所需功能已在IC供应商工厂内完成内置和预设。此IC包括1至2节锂离子和磷酸铁锂(LiFePO4)电池,其集成参考电压范围为3.6V至9V。具有可选截止电流比的CC-CV工作模式将满足各种需求。


图7 典型充电管理IC的电路图

许多公司和研究机构正在开发磷酸铁可充电锂电池。磷酸铁锂(LiFePO4)电池已开始在便携式应用中崭露头角,原因是其可充电次数多(通常为1,000次到2,000次)、温度范围广且稳定耐用。迄今为止,磷酸铁锂电池尚无适用的标准。例如,参考充电电压范围为3.6V至4.1V。因此,不同制造商生产的磷酸铁锂电池的性能也各不相同。磷酸铁锂电池具有与锂离子电池相同的CC-CV充电算法。

为满足某些地区的安全要求,分立式电池充电管理器件提供了输入电压保护、电池短路保护、预充电定时器、耗时定时器和错误指示灯等功能。

结论

便携式产品仍在改变人们的生活方式。但是,仍然很难在不增加器件尺寸和重量的情况下保持产品长时间运行。对于低功耗设计,所有相关元件(从模拟器件到数字单元)都必须满足设计的电流预算。除了选择低供电电流器件外,建议设计人员在保持性能等级的同时,尽量利用各种省电技术,例如基于负载的多模功率转换设计、输入至输出旁路设计以及待机等等。

本文提及的电池特性和参数仅供参考。在启动任何电池供电项目前,产品设计人员都应咨询电池制造商。