极度睹题目第218期：优化电池供电体系的换大红鹰注册效用

　　极度睹题目第218期：优化电池供电体系的换大红鹰注册效用图3 四开闭降压-升压电源转换器的例子◁△▽,比如LT3154降压-升压DC-DC转换器

　　是的◁●，大大批电池供电体例需求达成电池充电▷。本文讲明奈何为电池供电体例计划和优化分别的电源统治效力•，先容了一个包括电池供电电子设置所需很众效力的示例体例示企图▲，还争论了电源转换结果的分别方面▪。

　　很众体例需求电池供电○▲◆。电池可用于停电时供应备用电力-▲…，但要紧用于挪动式设置——大到像电动汽车-，小到像助听器▪。正在整个电池供电体例中•□，电源结果是环节●。正在运转时辰一样的境况下•，电源结果越低◇，电池就会越大◇，其本钱也越高□★■。别的□-，电池按照充电状况供应分别的电压▼-★。这就需求奇特的电源转换器来将电池供应的可变电压安排为体例电子设置所需的宁静电压◁-。目前…▷=，大大批电池供电体例采用可充电电池◆○▲，而不是不行充电的原电池-△◆。这就请求体例中包括电池充电器□☆-。本文将先容百般电池充电架构以及少许具革新性的新用例-•=。当然◆□●，电源转换结果是重中之重◇▪。

　　对付整个其他操纵★◆，提议应用开闭充电器■□。市情上的大大批电池充电器IC都是开闭形式电池充电器▪▼▲。这些属于经典的开闭电源(SMPS)器件▲▲=，具有支柱电池充电的奇特效力▷。能够用恒压或恒流充电▷=◁，有时乃至两者都用■◇，而且还供应奇特效力来确保充电安宁□。这能够是一个依时器○，用以检测毗连的电池是否有缺陷◁▽，或者能够席卷一个温度传感器来控制充电时代的电池温度△，避免不怜悯况下的热失控◆。尚有一个颇受接待的效力便是电池包和电池充电器之间的安宁反省•▷•，它可监控体例毗连的电池是否获取许可△。

　　正在过去的20年里☆◇，高容量锂离子电池的涌现更改了电池供电体例的相貌☆▼▲。很众集成电道可用于对这些电池举行高效充电和放电○○◇。目前▽▼▲，为了降低单元重量和体积的容量☆，加快电池的充电速率=◇，同时确保电池的安宁性●，业界正正在对将来的电池机闭发展豪爽考虑◆▽◇。跟着电池工夫的不绝成长☆，电池充放电集成电道的革新也将永无终点=。

　　市集上有很众电池充电器IC★□。电池充电器是一种以安宁的格式供应电压和电流▪◇，从而为电池充电的器件▪▷▽。选取集成电道时▽□▷，开始需求确定应用线性充电器仍是开闭充电器▽。只可消浸可用电压▪▪◆。输入电流大致等于输出电流○□-。

　　然后•，该电源经转换后安宁地给可用电池充电□，以及/或者直接给体例供电▽。倘若没有输入电源可用▪=，电池中储蓄的能量将通过结果万分高的开闭形式电源转换器为体例供电◇。

　　图1显示了电池供电体例的体例示企图★。固然简直的达成计划因应用场景分别而异▪☆，但每每来说◁★◇，整个体例都邑包括图中所示的要紧效力模块☆☆◁。体例中存正在某种电源电压•，它为体例供电…☆。此毗连每每需假如可切换的☆•▼。倘若电源是壁式调换电源转换器◆，那么拔下低压电源线中的电源开闭怀换到断开地方具有一样的成绩◆。这种电源途径统治很有须要●•…，旨正在避免毗连到电源的附加电道泯灭名贵的电池电量★■▷。其余△▲▪，图1中尚有一个潜正在的第二电源★▼△。通过电源开闭模块☆★，可正在电源1或电源2的功率流之间切换▪▷。比如◁●★，电源2能够是USB 5V电源◁■。

　　应用两个串联锂离子电池▷=，而非一个电池•○▪，能够一律避免降压-升压拓扑◆。这种境况下只需求一个容易的降压级电源变换器▽◁。然而-◁，咱们需求为第二电池付出异常的发愤和本钱▪▷▪。别的▪，为两个电池充电比仅为一个电池充电更具寻事性○▲。当两个电池串联应用时☆▲，最大电压为7-.2 V■▼。电源转换器需求采用更高电压的半导体工艺…，而非榜样的最大5-▷▽.5 V工艺-□。这不是题目◆★，但DC-DC电源转换器的半导体本钱大概稍高▽●▲。

　　图4显示了一个独立SMPS电池充电器处分计划★◁。个中采用MAX77985…，可达成降压SMPS电池充电器和电源途径开闭效力▪。电源途径开闭是大大批操纵必不行少的效力…◁。一朝电池充满电▷，它就会断开输入电压轨与电池的毗连□，以避免电池电量通过大概毗连到输入电源线的电道泯灭-◇。别的…，该处分计划具稀有字I2C接口▽•，此接口可更改充电器IC的某些设立以及用于遥测目标□。为使电池充电器尽大概聪明-○，数字接口支柱设立分别的电池类型和电池巨细-▪。

　　正在很众分别的特质中●◆，有一项独特值得小心★。MAX77985中的集成电源开闭不但能够正在降压形式下为电池充电●，还可用于将电池电压提拔到更高的体例电压▷★。正在某种水平上△，这款电池充电器是体例电源转换器与纯电池充电器的组合◆。

　　然而••△，正在能量采团体例中…，充电时代的电源结果至闭紧要…=。最终•●=，充电时代的更高电源结果直接导致能量采撷器尺寸更小•，从而消浸体例本钱并可缩减体例尺寸◇◆…。

　　如图2所示●，1 mA输出负载下的结果不同相当大=。正在1 mA的轻负载（乃至低至100 μA负载）下激活省电形式时☆◁◇，电源转换结果为50%▪。正在不激活省电形式的600 kHz固定开闭频率下●…，结果唯有大约15%◇▼。

　　当负载功耗万分低时○，静态电流IQ与结果闭系•▼。静态电流越低越好▼。此静态电流与开闭计划沿道确定了低负载结果○☆◇。图2显示了应用和不应用轻载结果形式的榜样结果弧线●。轻载结果形式为蓝色弧线•，固定开闭频率形式为玄色虚线弧线▷•。很众电源转换电道通过云云的形式来降低轻载结果•。每每◇★，其职责格式是阻止应用恒定开闭频率▽•，唯有当输出电压略有降落时才爆发几个开闭脉冲=■○。正在这些突发脉冲之间的时辰里●▼=，电源转换器闭塞很众效力以俭约功耗=。这些低功耗形式正在简直架构方面大概因IC分别而略有分别••，但此类奇特形式永远能正在轻负载下达成万分高的结果•○。

　　然而□-，整个电池供电体例都邑注重电池放电时的电源转换结果△◆。正在体例运转时辰一样的境况下◇▪•，此流程中的电源转换结果越高•，则所需的电池容量越小…。

　　这种电源转换级从电池爆发负载所需电压的结果●■，需求进一步评估●。一个是满载转换结果■，它供应了体例正在标称负载下能够运转众长时辰的讯息•，尚有一个是轻载结果•▪◆，它对很众体例都很紧要•▽。这是正在负载万分小的境况下的电源转换结果大红鹰注册-。以电池供电的烟雾探测器为例▲☆，它正在低负载电流的烟雾探测阶段可陆续运转众年☆，直至检测到烟雾并发出警报☆。警报由高电流启动▽-，但此阶段的电源结果与需求改换电池的时辰点没有众大闭联▼◆□。

　　电池充电每每不需求万分高的电源结果●。除了能量采撷除外●，大大批电池供电体例都能获取足够的电力来为电池充电•△。比如▽，当手机毗连到充电器时▼▲，大大批人每每不会体贴充电流程确切实结果◇。

　　如上所述▽…◁，电源转换结果正在电池供电体例中万分紧要-=△。电池供电体例能够选取整个现有类型的拓扑▽。个中一种常用的拓扑是四开闭降压-升压转换器大红鹰注册●。很众体例需求3=▽-.3 V电源电压◇=，由单个锂离子电池供电△。这种电池供应3◇.6 V的标称电压=◇，但正在放电状况后期…□，它们仅供应2■.8 V至3▽.0 V之间的电压◇。为了延迟体例运转时辰▽▪◇，咱们需求尽大概众地诈欺电池的能量=。正在3=▪•.3 V体例中☆△，当锂离子电池充满电时▷◆，咱们需求将其电压从3▷◁.6 V降至3◆.3 V◁-■。然而▼，当电池放电亲切尾声时-，咱们需求将2●▪▲.8 V升压至3•.3 V-▽△。这就需求降压-升压电道○。目前有很众分别类型的降压-升压电道●▲。举几个例子=，合用的拓扑席卷基于变压器的反激式、双电感单端低级电感转换器(SEPIC)和四开闭降压-升压拓扑◇•。每每选取四开闭降压-升压拓扑-•，由于与其他两种拓扑比拟★▲◆，其电源转换结果最高•。

　　Frederik Dostal是一名具有20众年行业经历的电源统治专家★◆▷。他曾就读于德邦埃尔兰根大学微电子学专业并于2001年参加National Semiconductor公司•…，负担现场操纵工程师=▽，助助客户正在项目中实行电源管体会决计划•▽-，积蓄了富厚的经历◁。正在此时代☆•，他还正在美邦亚利桑那州凤凰城职责了4年○，负担操纵工程师•●…，控制开闭形式电源产物大红鹰注册•◇◇。他于2009年参加ADI公司□▪，先后负担众个产物线和欧洲工夫支柱身分▪=-，具备普及的计划和操纵学问☆▲，目前负担电源统治专家…。Frederik正在ADI的德邦慕尼黑分公司职责○▽。

　　比如□•，倘若耗尽的电池电压为0=▷.8 V☆★○，可用的体例电压为3○◇.3 V■，则线 A□●，则线性充电器会以热量阵势泯灭2◆■.5 W功率◆…◁。这是可行的=▪=，但倘若体例电压为12 V▽■=，功耗将是11…◇-.2 W□▼。因而△●，对付充电电流较低且体例电压亲切电池电压的操纵•，线性充电器是合理的选取★▽。

　　图2 两种境况下ADP2370降压稳压器的电源转换结果…○△:一种是激活低负载省电形式•,另一种是正在整个负载下均应用固定的600 kHz开闭频率

　　电池供电设置需求很众分别的电气效力▷■。有些产物仅供应根本效力●▲◇，而有些产物将大大批效力高度集成正在一个集成电道中•。这种产物称之为体例电源统治集成电道(PMIC)▷，正在电池供电的操纵中独特受接待■★▪。这有众种情由□▪。一个情由是很众电池供电体例相当小□▼-，因此需求紧凑的体例处分计划★。第二个情由是每个独立IC都有必定的静态电流-○=，IC开启或闭断时老是会泯灭少许功率□◁，这最终会耗尽电池电量•◇▽。正在大大批境况下▽•，将很众分别的集成电道组合成一个PMIC器件能够消浸体例的静态电流★。