【導讀】許多係統需要電池供電。電池可用於停電時提供備用電力，但主要用於移動式設備——dadaoxiangdiandongqiche，xiaodaoxiangzhutingqi。zaisuoyoudianchigongdianxitongzhong，dianyuanxiaolvshiguanjian。zaiyunxingshijianxiangtongdeqingkuangxia，dianyuanxiaolvyuedi，dianchijiuhuiyueda，qichengbenyeyuegao。ciwai
，dianchigenjuchongdianzhuangtaitigongbutongdedianya。zhejiuxuyaoteshudedianyuanzhuanhuanqilaijiangdianchitigongdekebiandianyatiaojieweixitongdianzishebeisuoxudewendingdianya。rujin，daduoshudianchigongdianxitongcaiyongkechongdiandianchi，erbushibukechongdiandeyuandianchi。zhejiuyaoqiuxitongzhongbaohandianchichongdianqi。benwenjiangjieshaogezhongdianchichongdianjiagouyijiyixiejuchuangxinxingdexinyongli。dangran，dianyuanzhuanhuanxiaolvshizhongzhongzhizhong。

問題：

電池供電係統需要電源管理係統嗎
？

答案：

是shi的de，大da多duo數shu電dian池chi供gong電dian係xi統tong需xu要yao實shi現xian電dian池chi充chong電dian。本ben文wen說shuo明ming如ru何he為wei電dian池chi供gong電dian係xi統tong設she計ji和he優you化hua不bu同tong的de電dian源yuan管guan理li功gong能neng
，介jie紹shao了le一yi個ge包bao含han電dian池chi供gong電dian電dian子zi設she備bei所suo需xu許xu多duo功gong能neng的de示shi例li係xi統tong示shi意yi圖tu，還hai討tao論lun了le電dian源yuan轉zhuan換huan效xiao率lv的de不bu同tong方fang麵mian。

簡介

許多係統需要電池供電。電池可用於停電時提供備用電力，但主要用於移動式設備——dadaoxiangdiandongqiche，xiaodaoxiangzhutingqi。zaisuoyoudianchigongdianxitongzhong，dianyuanxiaolvshiguanjian。zaiyunxingshijianxiangtongdeqingkuangxia

，dianyuanxiaolvyuedi，dianchijiuhuiyueda，qichengbenyeyuegao。ciwai，dianchigenjuchongdianzhuangtaitigongbutongdedianya。zhejiuxuyaoteshudedianyuanzhuanhuanqilaijiangdianchitigongdekebiandianyatiaojieweixitongdianzishebeisuoxudewendingdianya。rujin，daduoshudianchigongdianxitongcaiyongkechongdiandianchi
，erbushibukechongdiandeyuandianchi。zhejiuyaoqiuxitongzhongbaohandianchichongdianqi。benwenjiangjieshaogezhongdianchichongdianjiagouyijiyixiejuchuangxinxingdexinyongli。dangran
，dianyuanzhuanhuanxiaolvshizhongzhongzhizhong。

圖1.電池供電係統的簡化係統圖

圖1xianshiledianchigongdianxitongdexitongshiyitu。suiranjutideshixianfanganyinshiyongchangjingbutongeryi，dantongchanglaishuo
，suoyouxitongdouhuibaohantuzhongsuoshidezhuyaogongnengmokuai。xitongzhongcunzaimouzhongdianyuandianya，taweixitonggongdian。cilianjietongchangxuyaoshikeqiehuande。ruguodianyuanshibishijiaoliudianyuanzhuanhuanqi
，namebaxiadiyadianyuanxianyutu1zhongdedianyuankaiguanqiehuandaoduankaiweizhijuyouxiangtongdexiaoguo。zhezhongdianyuanlujingguanlihenyoubiyao，zhizaibimianlianjiedaodianyuandefujiadianluxiaohaobaoguidedianchidianliang。lingwai，tu1中還有一個潛在的第二電源。通過電源開關模塊，可在電源1或電源2的功率流之間切換。例如，電源2可以是USB 5V電源。

然後，該電源經轉換後安全地給可用電池充電，以及/或者直接給係統供電。如果沒有輸入電源可用
，電池中儲存的能量將通過效率非常高的開關模式電源轉換器為係統供電。

電池供電係統的電源效率

dianchichongdiantongchangbuxuyaofeichanggaodedianyuanxiaolv。chulenengliangcaijizhiwai，daduoshudianchigongdianxitongdounenghuodezugoudedianlilaiweidianchichongdian。liru
，dangshoujilianjiedaochongdianqishi，daduoshurentongchangbuhuiguanxinchongdianguochengdequeqiexiaolv。

然(ran)而(er)，在(zai)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)，充(chong)電(dian)期(qi)間(jian)的(de)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。最(zui)終(zhong)，充(chong)電(dian)期(qi)間(jian)的(de)更(geng)高(gao)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)直(zhi)接(jie)導(dao)致(zhi)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)尺(chi)寸(cun)更(geng)小(xiao)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)並(bing)可(ke)縮(suo)減(jian)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)。

然ran而er
，所suo有you電dian池chi供gong電dian係xi統tong都dou會hui重zhong視shi電dian池chi放fang電dian時shi的de電dian源yuan轉zhuan換huan效xiao率lv。在zai係xi統tong運yun行xing時shi間jian相xiang同tong的de情qing況kuang下xia，此ci過guo程cheng中zhong的de電dian源yuan轉zhuan換huan效xiao率lv越yue高gao
，則ze所suo需xu的de電dian池chi容rong量liang越yue小xiao。

zhezhongdianyuanzhuanhuanjicongdianchichanshengfuzaisuoxudianyadexiaolv
，xuyaojinyibupinggu。yigeshimanzaizhuanhuanxiaolv，tatigonglexitongzaibiaochengfuzaixiakeyiyunxingduochangshijiandexinxi，haiyouyigeshiqingzaixiaolv，taduixuduoxitongdouhenzhongyao。zheshizaifuzaifeichangxiaodeqingkuangxiadedianyuanzhuanhuanxiaolv。yidianchigongdiandeyanwutanceqiweili，tazaidifuzaidianliudeyanwutancejieduankechixuyunxingduonian，zhizhijiancedaoyanwubingfachujingbao。jingbaoyougaodianliuqidong，dancijieduandedianyuanxiaolvyuxuyaogenghuandianchideshijiandianmeiyouduodaguanxi。

當負載功耗非常低時
，靜態電流IQ與效率相關。靜態電流越低越好。此靜態電流與開關方案一起決定了低負載效率。圖2xianshileshiyonghebushiyongqingzaixiaolvmoshidedianxingxiaolvquxian。qingzaixiaolvmoshiweilansequxian，gudingkaiguanpinlvmoshiweiheisexuxianquxian。xuduodianyuanzhuanhuandianlutongguozheyangdemoshilaitigaoqingzaixiaolv。tongchang，qigongzuofangshishitingzhishiyonghengdingkaiguanpinlv
，zhiyoudangshuchudianyalveyouxiajiangshicaichanshengjigekaiguanmaichong。zaizhexietufamaichongzhijiandeshijianli，dianyuanzhuanhuanqiguanbixuduogongnengyijieshenggonghao。zhexiedigonghaomoshizaijutijiagoufangmiankenengyinIC不同而略有不同，但此類特殊模式始終能在輕負載下實現非常高的效率。

如圖2所示，1 mA輸出負載下的效率差異相當大。在1 mA的輕負載（甚至低至100 μA負載）下激活省電模式時
，電源轉換效率為50%。在不激活省電模式的600 kHz固定開關頻率下，效率隻有大約15%。

圖2.兩種情況下ADP2370降壓穩壓器的電源轉換效率：一種是激活低負載省電模式，另一種是在所有負載下均使用固定的600 kHz開關頻率。

電源轉換挑戰

如上所述
，電源轉換效率在電池供電係統中非常重要。電池供電係統可以選擇所有現有類型的拓撲。其中一種常用的拓撲是四開關降壓-升壓轉換器。許多係統需要3.3 V電源電壓，由單個鋰離子電池供電。這種電池提供3.6 V的標稱電壓，但在放電狀態後期，它們僅提供2.8 V至3.0 V之間的電壓。為了延長係統運行時間，我們需要盡可能多地利用電池的能量。在3.3 V係統中
，當鋰離子電池充滿電時
，我們需要將其電壓從3.6 V降至3.3 V。然而，當電池放電接近尾聲時

，我們需要將2.8 V升壓至3.3 V。這就需要降壓-升壓電路。目前有許多不同類型的降壓-升壓電路。舉幾個例子
，適用的拓撲包括基於變壓器的反激式
、雙電感單端初級電感轉換器(SEPIC)和四開關降壓-升壓拓撲。通常選擇四開關降壓-升壓拓撲，因為與其他兩種拓撲相比
，其電源轉換效率最高。

圖3顯示了四開關降壓-升壓拓撲的概念。

圖3.四開關降壓-升壓電源轉換器的例子
，例如LT3154降壓-升壓DC-DC轉換器

使用兩個串聯鋰離子電池，而非一個電池，可以完全避免降壓-shengyatuopu。zhezhongqingkuangxiazhixuyaoyigejiandandejiangyajidianyuanbianhuanqi。raner，womenxuyaoweidierdianchifuchuewaidenulihechengben。ciwai，weilianggedianchichongdianbijinweiyigedianchichongdiangengjutiaozhanxing。danglianggedianchichuanlianshiyongshi，zuidadianyawei7.2 V。電源轉換器需要采用更高電壓的半導體工藝，而非典型的最大5.5 V工藝。這不是問題，但DC-DC電源轉換器的半導體成本可能稍高。

選擇合適的電池充電器

市場上有許多電池充電器IC。電dian池chi充chong電dian器qi是shi一yi種zhong以yi安an全quan的de方fang式shi提ti供gong電dian壓ya和he電dian流liu，從cong而er為wei電dian池chi充chong電dian的de器qi件jian。選xuan擇ze集ji成cheng電dian路lu時shi
，首shou先xian需xu要yao決jue定ding使shi用yong線xian性xing充chong電dian器qi還hai是shi開kai關guan充chong電dian器qi。線xian性xing充chong電dian器qi就jiu像xiang線xian性xing穩wen壓ya器qi，隻zhi能neng降jiang低di可ke用yong電dian壓ya。輸shu入ru電dian流liu大da致zhi等deng於yu輸shu出chu電dian流liu。

例如，如果耗盡的電池電壓為0.8 V
，可用的係統電壓為3.3 V

，則線性充電器必須降壓至2.5 V。如果充電電流為1 A，則線性充電器會以熱量形式消耗2.5 W功率。這是可行的，但如果係統電壓為12 V，功耗將是11.2 W。因此
，對於充電電流較低且係統電壓接近電池電壓的應用
，線性充電器是合理的選擇。

對於所有其他應用，建議使用開關充電器。市麵上的大多數電池充電器IC都是開關模式電池充電器。這些屬於經典的開關電源(SMPS)器(qi)件(jian)
，具(ju)有(you)支(zhi)持(chi)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)的(de)特(te)殊(shu)功(gong)能(neng)。可(ke)以(yi)用(yong)恒(heng)壓(ya)或(huo)恒(heng)流(liu)充(chong)電(dian)
，有(you)時(shi)甚(shen)至(zhi)兩(liang)者(zhe)都(dou)用(yong)
，並(bing)且(qie)還(hai)提(ti)供(gong)特(te)殊(shu)功(gong)能(neng)來(lai)確(que)保(bao)充(chong)電(dian)安(an)全(quan)。這(zhe)可(ke)以(yi)是(shi)一(yi)個(ge)定(ding)時(shi)器(qi)，用(yong)以(yi)檢(jian)測(ce)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)池(chi)是(shi)否(fou)有(you)缺(que)陷(xian)，或(huo)者(zhe)可(ke)以(yi)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)限(xian)製(zhi)充(chong)電(dian)期(qi)間(jian)的(de)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)，避(bi)免(mian)不(bu)同(tong)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)熱(re)失(shi)控(kong)。還(hai)有(you)一(yi)個(ge)頗(po)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)功(gong)能(neng)就(jiu)是(shi)電(dian)池(chi)包(bao)和(he)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)安(an)全(quan)檢(jian)查(zha)，它(ta)可(ke)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)池(chi)是(shi)否(fou)獲(huo)得(de)許(xu)可(ke)。

圖4顯示了一個獨立SMPS電池充電器解決方案。其中采用MAX77985
，可實現降壓SMPSdianchichongdianqihedianyuanlujingkaiguangongneng。dianyuanlujingkaiguanshidaduoshuyingyongbibukeshaodegongneng。yidandianchichongmandian，tajiuhuiduankaishurudianyaguiyudianchidelianjie
，yifangzhidianchidianliangtongguokenenglianjiedaoshurudianyuanxiandedianluxiaohao。ciwai，gaijiejuefanganjuyoushuziI2C接口，此接口可更改充電器IC的某些設置以及用於遙測目的。為使電池充電器盡可能靈活，數字接口支持設置不同的電池類型和電池大小。

圖4.MAX77985獨立電池充電器簡化電路圖

在許多不同的特性中
，有一項特別值得注意。MAX77985中(zhong)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)在(zai)降(jiang)壓(ya)模(mo)式(shi)下(xia)為(wei)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)
，還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)將(jiang)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)提(ti)升(sheng)到(dao)更(geng)高(gao)的(de)係(xi)統(tong)電(dian)壓(ya)。在(zai)某(mou)種(zhong)程(cheng)度(du)上(shang)
，這(zhe)款(kuan)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)是(shi)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)與(yu)純(chun)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)組(zu)合(he)。

電dian池chi供gong電dian設she備bei需xu要yao許xu多duo不bu同tong的de電dian氣qi功gong能neng。有you些xie產chan品pin僅jin提ti供gong基ji本ben功gong能neng，而er有you些xie產chan品pin將jiang大da多duo數shu功gong能neng高gao度du集ji成cheng在zai一yi個ge集ji成cheng電dian路lu中zhong。這zhe種zhong產chan品pin稱cheng之zhi為wei係xi統tong電dian源yuan管guan理li集ji成cheng電dian路lu(PMIC)，在zai電dian池chi供gong電dian的de應ying用yong中zhong特te別bie受shou歡huan迎ying。這zhe有you多duo種zhong原yuan因yin。一yi個ge原yuan因yin是shi許xu多duo電dian池chi供gong電dian係xi統tong相xiang當dang小xiao，因yin而er需xu要yao緊jin湊cou的de係xi統tong解jie決jue方fang案an。第di二er個ge原yuan因yin是shi每mei個ge獨du立liIC都有一定的靜態電流
，IC開啟或關斷時總是會消耗一些功率，這最終會耗盡電池電量。在大多數情況下，將許多不同的集成電路組合成一個PMIC器件可以降低係統的靜態電流。

在過去的20年(nian)裏(li)，高(gao)容(rong)量(liang)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)出(chu)現(xian)改(gai)變(bian)了(le)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)麵(mian)貌(mao)。許(xu)多(duo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)可(ke)用(yong)於(yu)對(dui)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)高(gao)效(xiao)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)。如(ru)今(jin)，為(wei)了(le)提(ti)高(gao)單(dan)位(wei)重(zhong)量(liang)和(he)體(ti)積(ji)的(de)容(rong)量(liang)，加(jia)快(kuai)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)速(su)度(du)，同(tong)時(shi)確(que)保(bao)電(dian)池(chi)的(de)安(an)全(quan)性(xing)
，業(ye)界(jie)正(zheng)在(zai)對(dui)未(wei)來(lai)的(de)電(dian)池(chi)結(jie)構(gou)開(kai)展(zhan)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)。隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)，電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)創(chuang)新(xin)也(ye)將(jiang)永(yong)無(wu)止(zhi)境(jing)。

（來源：ADI公司，作者：Frederik Dostal，現場應用工程師）

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