為了方便用戶，新一代便攜式產(chǎn)品中集成了越來越多的功能，例如，無線通信和數(shù)據(jù)處理功能在手機和PDA中的融合，新一代手機不僅可以上網(wǎng)、處理郵件，還集成了拍照等功能；PDA廠商則在新推出的PDA中集成了無線通信、GPS等功能。功能的增多勢必導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量的提升，為了滿足更低功耗、更小尺寸的要求，電池管理技術(shù)在便攜產(chǎn)品設(shè)計中成為至關(guān)重要的因素。本文分析了電池供電產(chǎn)品設(shè)計中存在的普遍問題。
圖1：單片熱插拔器件的裸片布局。
一、合理選擇電池
終端用戶是否滿意其便攜式設(shè)備的設(shè)計，在很大程度上取決于電池的性能。電池的關(guān)鍵指標(biāo)當(dāng)然是電池的使用壽命，表面上看這只是一個簡單的數(shù)值，但它卻涉及到許多因素，其中包括：系統(tǒng)負(fù)載（滿負(fù)荷電流的供電時間，待機模式下的供電時間）、電源效率、系統(tǒng)電源管理、電池類型和充電方式等。這些特性之間的相互影響也會影響終端用戶的感受，一般情況下，當(dāng)用戶開始注意到電池時，事情就變得比較棘手了！好的產(chǎn)品設(shè)計既不需要頻繁更換電池（如電視遙控器），也不需要頻繁地給電池充電（電動牙刷），它應(yīng)使電池從用戶的眼前“消失”掉，避免用戶像關(guān)注設(shè)備的功能一樣關(guān)注電池。
電池和系統(tǒng)之間的相互制約是設(shè)計中常常被忽視的問題，保證電池的容量與系統(tǒng)的需求相吻合非常關(guān)鍵。常用的電池類型有：堿性電池、鎳氫電池和鋰離子電池。它們之間是不可互換的，對于絕大多數(shù)產(chǎn)品都有一個最佳選擇方案。
堿性電池
堿性電池是不可充電電池，但他們具有極低的自放電率和成本，不需要充電器或交流電源插座。對于功耗較低的應(yīng)用，堿性電池將是一個很好的選擇，但須合理使用，靜態(tài)電流或休眠電流都必需很低。設(shè)計中一個常見的誤區(qū)是：只關(guān)注工作效率，而忽視了“關(guān)閉”或“休眠”狀態(tài)下的電流損耗，即使消耗電池數(shù)十微安的電流也會導(dǎo)致電池的頻繁更換。
可充電電池
當(dāng)負(fù)載對于堿性電池而言過大時，需選用可充電電池，這對于筆記本電腦、PDA和蜂窩電話等便攜式產(chǎn)品已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)模式。可充電電池盡可能少地“打擾”用戶，將對產(chǎn)品的銷售有一定的促進作用，至少不會降低產(chǎn)品的性能。目前，針對便攜產(chǎn)品有兩種常用的可充電電池：鎳氫電池或鋰離子電池。
鎳氫電池成本比鋰離子電池低，當(dāng)產(chǎn)品的使用條件對電池而言不安全時，這種選擇將變得很敏感。對于缺少復(fù)雜的充電設(shè)計的低成本產(chǎn)品，由于鎳氫電池適于完全充滿和完全放電的應(yīng)用，用于將電能完全耗盡的產(chǎn)品比較適合，如：電動工具。另外一種適合鎳氫電池的應(yīng)用是直接替代堿性電池，這得益于鎳氫電池具有與堿性電池相同的電壓，電池能量耗盡時即從設(shè)備上移出電池，然后由外部充電器給電池充電。這種應(yīng)用在數(shù)碼相機中比較普遍，但需要用戶的頻繁干預(yù)。
許多便攜式產(chǎn)品與上述情況不同，例如：PDA、手機需要定期充電，但它們只是偶爾消耗電量。這些產(chǎn)品最好選用鋰離子電池，除了重量密度外，這種電池還具有兩個重要優(yōu)勢：低自放電率，對于短時間的充電-放電沒有限制。消費者不會意識到“電池管理”問題，簡化了產(chǎn)品使用。
二、精確檢測電池電量
電量計量對于在每次使用中不會完全耗盡電量的產(chǎn)品很有用，尤其是數(shù)碼相機、手機、PDA等產(chǎn)品。數(shù)碼相機不是經(jīng)常使用的產(chǎn)品，因此，用戶很容易忘記給電池充電，而在使用時電量又很重要，如果沒有一個好的電量計，數(shù)碼相機就存在隨時沒電的危險，為用戶造成許多遺憾。
圖2. 單片電池電量計提供更高的性價比
大多數(shù)便攜產(chǎn)品在設(shè)計中沒有給電量計留下充足的資金預(yù)算，設(shè)計者誤認(rèn)為消費者不會重視這一特性，其實不然。手持系統(tǒng)不斷增加的存儲容量意味著應(yīng)用程序和用戶文件將被保存在易失型存儲器中。電池在毫無防備的情況下掉電，會造成用戶生成或購買的文件損壞或丟失。一些系統(tǒng)采用輔助電池在主電池斷開時給存儲器供電，但是，由于輔助電池容量極小，為存儲器提供保護的時間非常有限，因此，以數(shù)據(jù)為中心的便攜產(chǎn)品必須在主電池電量耗盡之前及時關(guān)閉，以確保主電池還有足夠的剩余電量保護存儲器的內(nèi)容。理想情況下，多功能手機或無線PDA的電池在停止使用時應(yīng)該留出100mAh至200mAh的剩余電量。舉例來講，假定某應(yīng)用要求150mAh的剩余電量，圖1a）給出了不同溫度下電池放電電壓與剩余電量的對應(yīng)關(guān)系，從20℃曲線可以看出，為了保留適當(dāng)?shù)氖Ｓ嚯娏?，?yīng)該選擇3.5V的截止電壓。而0℃和40℃曲線在同樣剩余電量下卻對應(yīng)有不同的截止電壓。如果電池比較冷（0℃），選用3.5V截止電壓將會保留400mAh的剩余電量，真正用于工作的電量還不到600mAh；如果電池較熱（+40℃），選用3.5V的截止電壓時剩余電量還不足100mAh。
負(fù)載電流變化所造成的影響也很顯著。圖1b）中的曲線顯示了三種不同放電速率下的電壓變化曲線：C/2、C/5和C/10，其中C為電池的電荷容量。曲線表明，到達3.5V截止電壓時，剩余電量由C/10的 《 100mAh變化到C/2的 》200mAh。如果將截止電壓提升至3.6V，以確保C/10負(fù)載下有足夠的剩余電量，那么三種放電速率下的剩余電量將在150mAh至400mAh間變化。因此，試圖通過提升截止電壓來增加剩余電量的做法將會損失大量的電池能量。另外，電池老化也會對電池放電特性有一定影響，如圖1c）所示。老化效應(yīng)因電池而異，不同制造商的產(chǎn)品也存在較大差異。
粗略的電量計量常常造成通話中斷、數(shù)據(jù)交換中斷、數(shù)據(jù)文件丟失等后果，用戶不得不在電量顯示用完一半時就開始充電。而智能電池監(jiān)視器能夠在考慮上述因素的條件下顯示預(yù)算的運行時間，用戶不需要關(guān)注功耗模式問題。智能電池監(jiān)視器通常不是根據(jù)電壓、溫度和電流去查詢電量，它所測量的是流入和流出電池的電荷，利用庫侖計數(shù)器跟蹤電池的電荷量。通過測量溫度和放電速率，基于一個保存了電池特性參數(shù)的小型查詢表，對電池供出電荷的能力加以補償。圖2中的DS2751就是這樣的一個產(chǎn)品。DS2751內(nèi)部集成了檢流電阻，待機電流2μA，通過1-Wire接口與主機通訊，能夠提供所有必要的測量和數(shù)據(jù)存儲，配合主機提供的算法計算出最終結(jié)果。當(dāng)溫度 《 +15℃時，由滿充狀態(tài)放電時的最大測量誤差有望達到3%以內(nèi)。在各種溫度、負(fù)載和老化狀態(tài)下的綜合測量誤差可達5%。如果兩次滿充的時間間隔超過了兩周，輸入失調(diào)誤差的影響將變得顯著。不過，大多數(shù)用戶會在每周將電池充滿。
為了方便用戶，新一代便攜式產(chǎn)品中集成了越來越多的功能，例如，無線通信和數(shù)據(jù)處理功能在手機和PDA中的融合，新一代手機不僅可以上網(wǎng)、處理郵件，還集成了拍照等功能；PDA廠商則在新推出的PDA中集成了無線通信、GPS等功能。功能的增多勢必導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量的提升，為了滿足更低功耗、更小尺寸的要求，電池管理技術(shù)在便攜產(chǎn)品設(shè)計中成為至關(guān)重要的因素。本文分析了電池供電產(chǎn)品設(shè)計中存在的普遍問題。
圖1：單片熱插拔器件的裸片布局。
一、合理選擇電池
終端用戶是否滿意其便攜式設(shè)備的設(shè)計，在很大程度上取決于電池的性能。電池的關(guān)鍵指標(biāo)當(dāng)然是電池的使用壽命，表面上看這只是一個簡單的數(shù)值，但它卻涉及到許多因素，其中包括：系統(tǒng)負(fù)載（滿負(fù)荷電流的供電時間，待機模式下的供電時間）、電源效率、系統(tǒng)電源管理、電池類型和充電方式等。這些特性之間的相互影響也會影響終端用戶的感受，一般情況下，當(dāng)用戶開始注意到電池時，事情就變得比較棘手了！好的產(chǎn)品設(shè)計既不需要頻繁更換電池（如電視遙控器），也不需要頻繁地給電池充電（電動牙刷），它應(yīng)使電池從用戶的眼前“消失”掉，避免用戶像關(guān)注設(shè)備的功能一樣關(guān)注電池。
電池和系統(tǒng)之間的相互制約是設(shè)計中常常被忽視的問題，保證電池的容量與系統(tǒng)的需求相吻合非常關(guān)鍵。常用的電池類型有：堿性電池、鎳氫電池和鋰離子電池。它們之間是不可互換的，對于絕大多數(shù)產(chǎn)品都有一個最佳選擇方案。
堿性電池
堿性電池是不可充電電池，但他們具有極低的自放電率和成本，不需要充電器或交流電源插座。對于功耗較低的應(yīng)用，堿性電池將是一個很好的選擇，但須合理使用，靜態(tài)電流或休眠電流都必需很低。設(shè)計中一個常見的誤區(qū)是：只關(guān)注工作效率，而忽視了“關(guān)閉”或“休眠”狀態(tài)下的電流損耗，即使消耗電池數(shù)十微安的電流也會導(dǎo)致電池的頻繁更換。
可充電電池
當(dāng)負(fù)載對于堿性電池而言過大時，需選用可充電電池，這對于筆記本電腦、PDA和蜂窩電話等便攜式產(chǎn)品已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)模式。可充電電池盡可能少地“打擾”用戶，將對產(chǎn)品的銷售有一定的促進作用，至少不會降低產(chǎn)品的性能。目前，針對便攜產(chǎn)品有兩種常用的可充電電池：鎳氫電池或鋰離子電池。
鎳氫電池成本比鋰離子電池低，當(dāng)產(chǎn)品的使用條件對電池而言不安全時，這種選擇將變得很敏感。對于缺少復(fù)雜的充電設(shè)計的低成本產(chǎn)品，由于鎳氫電池適于完全充滿和完全放電的應(yīng)用，用于將電能完全耗盡的產(chǎn)品比較適合，如：電動工具。另外一種適合鎳氫電池的應(yīng)用是直接替代堿性電池，這得益于鎳氫電池具有與堿性電池相同的電壓，電池能量耗盡時即從設(shè)備上移出電池，然后由外部充電器給電池充電。這種應(yīng)用在數(shù)碼相機中比較普遍，但需要用戶的頻繁干預(yù)。
許多便攜式產(chǎn)品與上述情況不同，例如：PDA、手機需要定期充電，但它們只是偶爾消耗電量。這些產(chǎn)品最好選用鋰離子電池，除了重量密度外，這種電池還具有兩個重要優(yōu)勢：低自放電率，對于短時間的充電-放電沒有限制。消費者不會意識到“電池管理”問題，簡化了產(chǎn)品使用。
二、精確檢測電池電量
電量計量對于在每次使用中不會完全耗盡電量的產(chǎn)品很有用，尤其是數(shù)碼相機、手機、PDA等產(chǎn)品。數(shù)碼相機不是經(jīng)常使用的產(chǎn)品，因此，用戶很容易忘記給電池充電，而在使用時電量又很重要，如果沒有一個好的電量計，數(shù)碼相機就存在隨時沒電的危險，為用戶造成許多遺憾。
圖2. 單片電池電量計提供更高的性價比
大多數(shù)便攜產(chǎn)品在設(shè)計中沒有給電量計留下充足的資金預(yù)算，設(shè)計者誤認(rèn)為消費者不會重視這一特性，其實不然。手持系統(tǒng)不斷增加的存儲容量意味著應(yīng)用程序和用戶文件將被保存在易失型存儲器中。電池在毫無防備的情況下掉電，會造成用戶生成或購買的文件損壞或丟失。一些系統(tǒng)采用輔助電池在主電池斷開時給存儲器供電，但是，由于輔助電池容量極小，為存儲器提供保護的時間非常有限，因此，以數(shù)據(jù)為中心的便攜產(chǎn)品必須在主電池電量耗盡之前及時關(guān)閉，以確保主電池還有足夠的剩余電量保護存儲器的內(nèi)容。理想情況下，多功能手機或無線PDA的電池在停止使用時應(yīng)該留出100mAh至200mAh的剩余電量。舉例來講，假定某應(yīng)用要求150mAh的剩余電量，圖1a）給出了不同溫度下電池放電電壓與剩余電量的對應(yīng)關(guān)系，從20℃曲線可以看出，為了保留適當(dāng)?shù)氖Ｓ嚯娏?，?yīng)該選擇3.5V的截止電壓。而0℃和40℃曲線在同樣剩余電量下卻對應(yīng)有不同的截止電壓。如果電池比較冷（0℃），選用3.5V截止電壓將會保留400mAh的剩余電量，真正用于工作的電量還不到600mAh；如果電池較熱（+40℃），選用3.5V的截止電壓時剩余電量還不足100mAh。
負(fù)載電流變化所造成的影響也很顯著。圖1b）中的曲線顯示了三種不同放電速率下的電壓變化曲線：C/2、C/5和C/10，其中C為電池的電荷容量。曲線表明，到達3.5V截止電壓時，剩余電量由C/10的 《 100mAh變化到C/2的 》200mAh。如果將截止電壓提升至3.6V，以確保C/10負(fù)載下有足夠的剩余電量，那么三種放電速率下的剩余電量將在150mAh至400mAh間變化。因此，試圖通過提升截止電壓來增加剩余電量的做法將會損失大量的電池能量。另外，電池老化也會對電池放電特性有一定影響，如圖1c）所示。老化效應(yīng)因電池而異，不同制造商的產(chǎn)品也存在較大差異。
粗略的電量計量常常造成通話中斷、數(shù)據(jù)交換中斷、數(shù)據(jù)文件丟失等后果，用戶不得不在電量顯示用完一半時就開始充電。而智能電池監(jiān)視器能夠在考慮上述因素的條件下顯示預(yù)算的運行時間，用戶不需要關(guān)注功耗模式問題。智能電池監(jiān)視器通常不是根據(jù)電壓、溫度和電流去查詢電量，它所測量的是流入和流出電池的電荷，利用庫侖計數(shù)器跟蹤電池的電荷量。通過測量溫度和放電速率，基于一個保存了電池特性參數(shù)的小型查詢表，對電池供出電荷的能力加以補償。圖2中的DS2751就是這樣的一個產(chǎn)品。DS2751內(nèi)部集成了檢流電阻，待機電流2μA，通過1-Wire接口與主機通訊，能夠提供所有必要的測量和數(shù)據(jù)存儲，配合主機提供的算法計算出最終結(jié)果。當(dāng)溫度 《 +15℃時，由滿充狀態(tài)放電時的最大測量誤差有望達到3%以內(nèi)。在各種溫度、負(fù)載和老化狀態(tài)下的綜合測量誤差可達5%。如果兩次滿充的時間間隔超過了兩周，輸入失調(diào)誤差的影響將變得顯著。不過，大多數(shù)用戶會在每周將電池充滿。
三、關(guān)斷后不再有電流
堿性電池適合電源電流較低的應(yīng)用，使用時必需確保極低的靜態(tài)電流或睡眠電流。一個常見的電源系統(tǒng)設(shè)計錯誤是只關(guān)注產(chǎn)品工作時的效率，卻忽略了“關(guān)閉”或“睡眠”時的電流。即使浪費幾十微安的電流也會造成較大的電量損失，使間歇使用的產(chǎn)品也要頻繁更換電池。值得一提的是，這一設(shè)計錯誤現(xiàn)在比幾年前更普遍，因為設(shè)計中用“軟開關(guān)”代替了機械開關(guān)，而機械開關(guān)能完全斷開電池。進入軟關(guān)斷模式時，系統(tǒng)仍保持有效狀態(tài)，只是進入了低電流模式（希望是）。這時的系統(tǒng)損耗將明顯降低，因為CMOS邏輯電路處于靜態(tài)（無時鐘），電流損耗基本為零。但是，實際設(shè)計中還須注意上拉電阻等元件還在繼續(xù)吸收電池電流，不工作的系統(tǒng)單元并沒有斷電，還會消耗一定的電池能量。 通常，沒有理由讓這樣一個系統(tǒng)的關(guān)斷電流超出幾個微安。即使是由1節(jié)或兩節(jié)AA電池供電的系統(tǒng)，其中需要一個升壓型DC-DC變換器提供邏輯電路的電源電壓，如果使用MAX1722升壓轉(zhuǎn)換器，也只消耗不到2μA的電流，比AA電池的自放電電流還低。
四、避免使用“或”邏輯二極管
在需要電池切換的設(shè)計中，具有10mV正向壓降、沒有反向漏電流的二極管是設(shè)計人員的一個“奢求”。但到目前為止，肖特基二極管還是最好的選擇，它的正向壓降介于300mV到500mV之間。但對某些電池切換電路，即使選擇肖特基二極管也不能滿足設(shè)計要求。對于一個高效電壓轉(zhuǎn)換器來說，節(jié)省下來的那部分能量可能會被二極管的正向壓降完全浪費掉。為了在低電壓系統(tǒng)中有效保存電池能量，應(yīng)該選擇功率MOSFET開關(guān)替代二極管。采用SOT封裝、導(dǎo)通電阻只有幾十毫歐的MOSFET，在便攜產(chǎn)品的電流級別下可以忽略其導(dǎo)通壓降。
決定一個系統(tǒng)是否必需使用MOSFET來切換電源，最好對二極管導(dǎo)通壓降、MOSFET導(dǎo)通壓降和電池電壓進行比較，把壓降與電池電壓的比值看作效率損失。例如，把一個正向壓降為350mV的肖特基二極管用來切換Li+電池（標(biāo)稱值3.6V），損失則為9.7%，如果用來切換兩節(jié)AA電池（標(biāo)稱值2.7V），損失為13%。在低成本設(shè)計中，這些損失可能還可以接受。但是，當(dāng)使用了高效率的DC-DC時，就要權(quán)衡DC-DC的成本和把二極管升級為MOSFET帶來的效率改善的成本。
許多情況下，通過合理利用系統(tǒng)的資源、改善系統(tǒng)設(shè)計，還可以避免使用二極管和MOSFET電源選擇開關(guān)，如圖3所示，圖中并沒有使用MOSFET開關(guān)，系統(tǒng)電源可以在一節(jié)AA電池和USB輸入間自動切換，當(dāng)USB電源插入時，系統(tǒng)不會從AA電池取電。插入USB電源時，MAX8511 LDO把MAX1675的輸出從3V提升到3.3V，并不需要將MAX1675升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷（/SHDN）引腳驅(qū)動到地電平，以阻止AA電池供電。
作者：Len Sherman
首席科學(xué)家
Maxim Integrated Products