可攜式產品的電源管理策略

圖1，不同類型的電池供電可攜式設備框圖。

在設計可攜式電子設備時，設計師在整個產品規劃環節中往往優先考慮大小(外形因素)、功能、性能和用戶介面，而最後考慮電源系統。可是，可攜式電源系統的選擇往往決定了一款產品的成敗...

可攜式電源系統一般包括但不限於電池系統、線性穩壓器、DC-DC轉換器、系統監管和保護電路。圖1顯示了典型手持設備系統級框圖的兩個示例。在設計電池供電系統時有許多功率傳遞拓撲可供選擇。在為應用選擇最適合的拓撲時，需要綜合考慮系統負載電流(平均、峰值和待機電流)、電壓要求、印刷電路板(PCB)可用空間、所需功能及系統總成本等因素。雖然一些高度集成的電源管理解決方案具有某些功能，可以讓設計師減少外部元件、提高性能、縮短設計時間並降低相關成本。但是，仍然會有一些困難迫使設計師選擇集成度較低的解決方案來開發可攜式產品。

原電池技術

選用的電池技術將決定可攜式電子設備的複雜性、成本、尺寸和性能。電池可以大致分為兩類─原電池和蓄電池。原電池的電化學反應不可逆，所以不能充電，使用後必須丟棄。原電池通常設計用於長時間處於待機狀態、使用時只消耗少量電能的應用，如電視機或娛樂系統的遙控器。原電池也可用於每次消耗電能不多的小型家用醫療儀器。

在可攜式電子設備中，如果使用不可充電電池作為主要電源，電池壽命就至關重要。為延長電池壽命，設計師通常會讓系統或設備進入待機模式，只有極少數功能模組在輕載狀態下運行。有時，設計師還會採用關機模式，僅在必要時喚醒器件。如今，半導體已提供了許多讓功耗最小化的功能，系統需要的靜態電流越小，其待機或休眠模式保持時間就越長。

圖2顯示了兩種不同類型的低壓差(LDO)穩壓器。第1種的典型靜態電流為1.6 µA，第2種為53 µA。當輸入電壓為3.3V、輸出電壓為 2.5V時，LDO在較高負載電流下的效率為75.75%，此時LDO的靜態電流較低。不過，在1 mA或更低的輸出電流負載條件下，LDO的靜態電流開始增大而無法忽略不計，而且這兩種LDO的效率也開始出現變化。

在LDO輸出電壓必須始終保持有效、但大多數時間內都必須處於極低負載甚至無負載狀態的情況下，低靜態電流LDO是可攜式電源系統的絕佳選擇。

如圖2a所示，在負載極低或無負載條件下，低靜態電流LDO的效率更高。雖然如此，高靜態電流LDO在性能方面仍然有用武之地。和許多性能參數一樣，獲得低靜態電流的代價不菲。圖2b比較了相同器件的負載階躍性能。兩個LDO的負載階躍均為100 mA。與要求高電流的LDO相比，低靜態電流LDO需要的運行電流更低，對負載和線路瞬變的響應更慢，且電源雜訊抑制更低。

由於成本低、使用方便且不會造成任何開關電磁干擾問題，LDO已廣泛應用於可攜式設備中。當輸入和輸出電壓之間的壓差增大時，LDO的效率會下降。因為LDO的耗散功率值為壓降(輸入電壓 ─ 輸出電壓)與輸出電流之積，在壓差增大時功耗也會隨之增加。當輸入電壓和輸出電壓之間壓差較大時，降壓開關穩壓器能提供更高的效率和更好的性能。通過增加開關頻率，體型較小的可攜式設備內部可選用更小的電感。穩壓器可在不同負載條件下採用不同工作模式，使自身性能得到改進。

為達到理想電壓，升壓(增壓)控制器通常需要設計使用多節原電池，如鹼性電池。單節鹼性電池的典型工作電壓為1.5V到1V。大多數化學電池的實際工作電壓都與負載有關，並因製造商的不同而有所差異，鹼性電池也不例外。在輕載條件下，單節鹼性電池的截止電壓可達到0.9V或更低。因此，一些小型應用會嘗試充分利用單節電池實現更長的運行時間。當增壓控制器用於此類應用時，能為不需要重負載的系統提供非常低的最小輸入電壓。

蓄電池技術

蓄電池可以充電，每次使用後能重新儲存電能。可充電電池通常設計用於需要頻繁更換電池的可攜式電子設備中。可充電電池經濟環保，能減少因更換電池而產生的廢物量，並能與可再生能源儲存系統結合使用。設計可充電電池的放電性能時要考慮的因素與原電池相似，但必須考慮增加充電電路用於恢復電池的電能。

鎳鎘(Ni-Cd)、鎳氫(Ni-MH)和鋰離子(Li-Ion)電池都是廣泛應用於可攜式電子設備的可充電化學電池。雖然鎳鎘電池並不環保，但因其成本低、壽命長和內阻低，已成為電動工具的絕佳之選。為混合動力汽車或電動自行車新近研發的磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池能提供較高的放電電流。隨著技術的日趨成熟和電池的批量生產，磷酸鋰鐵電池有望成為鎳鎘電池的完美替代品。目前鎳氫電池是鎳鎘和鹼性電池的環保替代品。AA和AAA型(5號和7號)鎳鎘和鎳氫電池的標稱電壓為1.2V，與鹼性電池的標稱電壓相近，因而可輕鬆替代鹼性電池。

鋰離子電池是在可攜式設備中應用最廣的可充電電池。鋰離子電池具有電池電壓高、自放電率低和能量密度高的特點，手持產品設計人員可利用它開發出火柴盒大小的器件，運行時間可達數小時，而待機時間則可達數天。典型的鋰離子電池不能過度充電。鋰離子電池過度充電很容易造成電池退化，並可能引起極大的安全隱患。鋰離子電池一般都自帶保護電路，防止過度放電和過度充電。在為可充電電池充電時，應小心謹慎。

最近幾起媒體播放器在充電時發生爆炸的事故以及以前發生的筆記型電腦電池召回事件再次給工程師們敲響了警鐘，在設計和生產過程中應時刻保持警惕。傳統的鋰離子電池充電管理控制器需要大量的外部元件，如電容、電阻、MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)和二極體等。高度集成的系統負載均衡和電池管理控制器能讓可攜式電子產品設計師開發出由鋰離子電池供電的系統，延長鋰離子電池的使用壽命。

造成鋰離子電池退化的3大因素包括：

1.過度充電。
2.過度放電。
3.過熱。

表1列出 Microchip MCP73871充電管理控制器在克服上述問題中所提供的功能，如圖3所示。

(本文作者為Microchip Technology Inc.類比與介面產品部資深應用工程師)