便攜式產(chǎn)品的電池管理

隨著便攜式設(shè)備復(fù)雜功能的增多，消費(fèi)者需要小巧、輕便、用戶界面友好的設(shè)計(jì)有較長(zhǎng)的電池使用壽命，這種消費(fèi)偏好使電氣設(shè)計(jì)工程師陷入了進(jìn)退兩難的局面，本文介紹了便攜式產(chǎn)品的一種電池管理技術(shù)。
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(jī)和PDA中的融合，新一代手機(jī)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(shì)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(jì)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(jì)中存在的普遍問題。

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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(jì)，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(gè)簡(jiǎn)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(shí)間，待機(jī)模式下的供電時(shí)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(huì)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(shí)，事情就變得比較棘手了！好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(duì)于絕大多數(shù)產(chǎn)品都有一個(gè)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(duì)于功耗較低的應(yīng)用，堿性電池將是一個(gè)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(jì)中一個(gè)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?cái)?shù)十微安的電流也會(huì)導(dǎo)致電池的頻繁更換。
可充電電池
當(dāng)負(fù)載對(duì)于堿性電池而言過大時(shí)，需選用可充電電池，這對(duì)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(duì)產(chǎn)品的銷售有一定的促進(jìn)作用，至少不會(huì)降低產(chǎn)品的性能。目前，針對(duì)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(duì)電池而言不安全時(shí)，這種選擇將變得很敏感。對(duì)于缺少復(fù)雜的充電設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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(jī)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(jī)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(gè)重要優(yōu)勢(shì)：低自放電率，對(duì)于短時(shí)間的充電-放電沒有限制。消費(fèi)者不會(huì)意識(shí)到“電池管理”問題，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品使用。
二、精確檢測(cè)電池電量
電量計(jì)量對(duì)于在每次使用中不會(huì)完全耗盡電量的產(chǎn)品很有用，尤其是數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA等產(chǎn)品。數(shù)碼相機(jī)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(shí)電量又很重要，如果沒有一個(gè)好的電量計(jì)，數(shù)碼相機(jī)就存在隨時(shí)沒電的危險(xiǎn)，為用戶造成許多遺憾。

圖2. 單片電池電量計(jì)提供更高的性價(jià)比
大多數(shù)便攜產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中沒有給電量計(jì)留下充足的資金預(yù)算，設(shè)計(jì)者誤認(rèn)為消費(fèi)者不會(huì)重視這一特性，其實(shí)不然。手持系統(tǒng)不斷增加的存儲(chǔ)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(chǔ)器中。電池在毫無防備的情況下掉電，會(huì)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?cái)嚅_時(shí)給存儲(chǔ)器供電，但是，由于輔助電池容量極小，為存儲(chǔ)器提供保護(hù)的時(shí)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(shí)關(guān)閉，以確保主電池還有足夠的剩余電量保護(hù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容。理想情況下，多功能手機(jī)或無線PDA的電池在停止使用時(shí)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(duì)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(duì)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(huì)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(shí)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(dá)3.5V截止電壓時(shí)，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(huì)損失大量的電池能量。另外，電池老化也會(huì)對(duì)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(jì)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(cè)量的是流入和流出電池的電荷，利用庫侖計(jì)數(shù)器跟蹤電池的電荷量。通過測(cè)量溫度和放電速率，基于一個(gè)保存了電池特性參數(shù)的小型查詢表，對(duì)電池供出電荷的能力加以補(bǔ)償。圖2中的DS2751就是這樣的一個(gè)產(chǎn)品。DS2751內(nèi)部集成了檢流電阻，待機(jī)電流2μA，通過1-Wire接口與主機(jī)通訊，能夠提供所有必要的測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，配合主機(jī)提供的算法計(jì)算出最終結(jié)果。當(dāng)溫度 < +15℃時(shí)，由滿充狀態(tài)放電時(shí)的最大測(cè)量誤差有望達(dá)到3%以內(nèi)。在各種溫度、負(fù)載和老化狀態(tài)下的綜合測(cè)量誤差可達(dá)5%。如果兩次滿充的時(shí)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(huì)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(shí)必需確保極低的靜態(tài)電流或睡眠電流。一個(gè)常見的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是只關(guān)注產(chǎn)品工作時(shí)的效率，卻忽略了“關(guān)閉”或“睡眠”時(shí)的電流。即使浪費(fèi)幾十微安的電流也會(huì)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(jì)錯(cuò)誤現(xiàn)在比幾年前更普遍，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中用“軟開關(guān)”代替了機(jī)械開關(guān)，而機(jī)械開關(guān)能完全斷開電池。進(jìn)入軟關(guān)斷模式時(shí)，系統(tǒng)仍保持有效狀態(tài)，只是進(jìn)入了低電流模式（希望是）。這時(shí)的系統(tǒng)損耗將明顯降低，因?yàn)镃MOS邏輯電路處于靜態(tài)（無時(shí)鐘），電流損耗基本為零。但是，實(shí)際設(shè)計(jì)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(huì)消耗一定的電池能量。 通常，沒有理由讓這樣一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)斷電流超出幾個(gè)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(gè)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(jì)中，具有10mV正向壓降、沒有反向漏電流的二極管是設(shè)計(jì)人員的一個(gè)“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(duì)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(jì)要求。對(duì)于一個(gè)高效電壓轉(zhuǎn)換器來說，節(jié)省下來的那部分能量可能會(huì)被二極管的正向壓降完全浪費(fèi)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(jí)別下可以忽略其導(dǎo)通壓降。
決定一個(gè)系統(tǒng)是否必需使用MOSFET來切換電源，最好對(duì)二極管導(dǎo)通壓降、MOSFET導(dǎo)通壓降和電池電壓進(jìn)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(gè)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(jì)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(shí)，就要權(quán)衡DC-DC的成本和把二極管升級(jí)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(jì)，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(dòng)切換，當(dāng)USB電源插入時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)從AA電池取電。插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，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(dòng)到地電平，以阻止AA電池供電。
作者：Len Sherman

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