便携式产品的电池管理

随着便携式设备复杂功能的增多，消费者需要小巧、轻便、用户界面友好的设计有较长的电池使用寿命，这种消费偏好使电气设计工程师陷入了进退两难的局面，本文介绍了便携式产品的一种电池管理技术。
为了方便用户，新一代便携式产品中集成了越来越多的功能，例如，无线通信和数据处理功能在手机和PDA中的融合，新一代手机不仅可以上网、处理邮件，还集成了拍照等功能；PDA厂商则在新推出的PDA中集成了无线通信、GPS等功能。功能的增多势必导致系统耗电量的提升，为了满足更低功耗、更小尺寸的要求，电池管理技术在便携产品设计中成为至关重要的因素。本文分析了电池供电产品设计中存在的普遍问题。

图1：单片热插拔器件的裸片布局。

一、合理选择电池
终端用户是否满意其便携式设备的设计，在很大程度上取决于电池的性能。电池的关键指标当然是电池的使用寿命，表面上看这只是一个简单的数值，但它却涉及到许多因素，其中包括：系统负载(满负荷电流的供电时间，待机模式下的供电时间)、电源效率、系统电源管理、电池类型和充电方式等。这些特性之间的相互影响也会影响终端用户的感受，一般情况下，当用户开始注意到电池时，事情就变得比较棘手了！好的产品设计既不需要频繁更换电池(如电视遥控器)，也不需要频繁地给电池充电(电动牙刷)，它应使电池从用户的眼前“消失”掉，避免用户像关注设备的功能一样关注电池。
电池和系统之间的相互制约是设计中常常被忽视的问题，保证电池的容量与系统的需求相吻合非常关键。常用的电池类型有：碱性电池、镍氢电池和锂离子电池。它们之间是不可互换的，对于绝大多数产品都有一个最佳选择方案。
碱性电池
碱性电池是不可充电电池，但他们具有极低的自放电率和成本，不需要充电器或交流电源插座。对于功耗较低的应用，碱性电池将是一个很好的选择，但须合理使用，静态电流或休眠电流都必需很低。设计中一个常见的误区是：只关注工作效率，而忽视了“关闭”或“休眠”状态下的电流损耗，即使消耗电池数十微安的电流也会导致电池的频繁更换。
可充电电池
当负载对于碱性电池而言过大时，需选用可充电电池，这对于笔记本电脑、PDA和蜂窝电话等便携式产品已经成为标准模式。可充电电池尽可能少地“打扰”用户，将对产品的销售有一定的促进作用，至少不会降低产品的性能。目前，针对便携产品有两种常用的可充电电池：镍氢电池或锂离子电池。
镍氢电池成本比锂离子电池低，当产品的使用条件对电池而言不安全时，这种选择将变得很敏感。对于缺少复杂的充电设计的低成本产品，由于镍氢电池适于完全充满和完全放电的应用，用于将电能完全耗尽的产品比较适合，如：电动工具。另外一种适合镍氢电池的应用是直接替代碱性电池，这得益于镍氢电池具有与碱性电池相同的电压，电池能量耗尽时即从设备上移出电池，然后由外部充电器给电池充电。这种应用在数码相机中比较普遍，但需要用户的频繁干预。
许多便携式产品与上述情况不同，例如：PDA、手机需要定期充电，但它们只是偶尔消耗电量。这些产品最好选用锂离子电池，除了重量密度外，这种电池还具有两个重要优势：低自放电率，对于短时间的充电-放电没有限制。消费者不会意识到“电池管理”问题，简化了产品使用。
二、精确检测电池电量
电量计量对于在每次使用中不会完全耗尽电量的产品很有用，尤其是数码相机、手机、PDA等产品。数码相机不是经常使用的产品，因此，用户很容易忘记给电池充电，而在使用时电量又很重要，如果没有一个好的电量计，数码相机就存在随时没电的危险，为用户造成许多遗憾。

图2. 单片电池电量计提供更高的性价比
大多数便携产品在设计中没有给电量计留下充足的资金预算，设计者误认为消费者不会重视这一特性，其实不然。手持系统不断增加的存储容量意味着应用程序和用户文件将被保存在易失型存储器中。电池在毫无防备的情况下掉电，会造成用户生成或购买的文件损坏或丢失。一些系统采用辅助电池在主电池断开时给存储器供电，但是，由于辅助电池容量极小，为存储器提供保护的时间非常有限，因此，以数据为中心的便携产品必须在主电池电量耗尽之前及时关闭，以确保主电池还有足够的剩余电量保护存储器的内容。理想情况下，多功能手机或无线PDA的电池在停止使用时应该留出100mAh至200mAh的剩余电量。举例来讲，假定某应用要求150mAh的剩余电量，图1a)给出了不同温度下电池放电电压与剩余电量的对应关系，从20℃曲线可以看出，为了保留适当的剩余电量，应该选择3.5V的截止电压。而0℃和40℃曲线在同样剩余电量下却对应有不同的截止电压。如果电池比较冷（0℃），选用3.5V截止电压将会保留400mAh的剩余电量，真正用于工作的电量还不到600mAh；如果电池较热（+40℃），选用3.5V的截止电压时剩余电量还不足100mAh。
负载电流变化所造成的影响也很显著。图1b)中的曲线显示了三种不同放电速率下的电压变化曲线：C/2、C/5和C/10，其中C为电池的电荷容量。曲线表明，到达3.5V截止电压时，剩余电量由C/10的 < 100mAh变化到C/2的 >200mAh。如果将截止电压提升至3.6V，以确保C/10负载下有足够的剩余电量，那么三种放电速率下的剩余电量将在150mAh至400mAh间变化。因此，试图通过提升截止电压来增加剩余电量的做法将会损失大量的电池能量。另外，电池老化也会对电池放电特性有一定影响，如图1c)所示。老化效应因电池而异，不同制造商的产品也存在较大差异。
粗略的电量计量常常造成通话中断、数据交换中断、数据文件丢失等后果，用户不得不在电量显示用完一半时就开始充电。而智能电池监视器能够在考虑上述因素的条件下显示预算的运行时间，用户不需要关注功耗模式问题。智能电池监视器通常不是根据电压、温度和电流去查询电量，它所测量的是流入和流出电池的电荷，利用库仑计数器跟踪电池的电荷量。通过测量温度和放电速率，基于一个保存了电池特性参数的小型查询表，对电池供出电荷的能力加以补偿。图2中的DS2751就是这样的一个产品。DS2751内部集成了检流电阻，待机电流2μA，通过1-Wire接口与主机通讯，能够提供所有必要的测量和数据存储，配合主机提供的算法计算出最终结果。当温度 < +15℃时，由满充状态放电时的最大测量误差有望达到3%以内。在各种温度、负载和老化状态下的综合测量误差可达5%。如果两次满充的时间间隔超过了两周，输入失调误差的影响将变得显著。不过，大多数用户会在每周将电池充满。
三、关断后不再有电流
碱性电池适合电源电流较低的应用，使用时必需确保极低的静态电流或睡眠电流。一个常见的电源系统设计错误是只关注产品工作时的效率，却忽略了“关闭”或“睡眠”时的电流。即使浪费几十微安的电流也会造成较大的电量损失，使间歇使用的产品也要频繁更换电池。值得一提的是，这一设计错误现在比几年前更普遍，因为设计中用“软开关”代替了机械开关，而机械开关能完全断开电池。进入软关断模式时，系统仍保持有效状态，只是进入了低电流模式（希望是）。这时的系统损耗将明显降低，因为CMOS逻辑电路处于静态（无时钟），电流损耗基本为零。但是，实际设计中还须注意上拉电阻等元件还在继续吸收电池电流，不工作的系统单元并没有断电，还会消耗一定的电池能量。 通常，没有理由让这样一个系统的关断电流超出几个微安。即使是由1节或两节AA电池供电的系统，其中需要一个升压型DC-DC变换器提供逻辑电路的电源电压，如果使用MAX1722升压转换器，也只消耗不到2μA的电流，比AA电池的自放电电流还低。
四、避免使用“或”逻辑二极管
在需要电池切换的设计中，具有10mV正向压降、没有反向漏电流的二极管是设计人员的一个“奢求”。但到目前为止，肖特基二极管还是最好的选择，它的正向压降介于300mV到500mV之间。但对某些电池切换电路，即使选择肖特基二极管也不能满足设计要求。对于一个高效电压转换器来说，节省下来的那部分能量可能会被二极管的正向压降完全浪费掉。为了在低电压系统中有效保存电池能量，应该选择功率MOSFET开关替代二极管。采用SOT封装、导通电阻只有几十毫欧的MOSFET，在便携产品的电流级别下可以忽略其导通压降。
决定一个系统是否必需使用MOSFET来切换电源，最好对二极管导通压降、MOSFET导通压降和电池电压进行比较，把压降与电池电压的比值看作效率损失。例如，把一个正向压降为350mV的肖特基二极管用来切换Li+电池（标称值3.6V），损失则为9.7%，如果用来切换两节AA电池（标称值2.7V），损失为13%。在低成本设计中，这些损失可能还可以接受。但是，当使用了高效率的DC-DC时，就要权衡DC-DC的成本和把二极管升级为MOSFET带来的效率改善的成本。
许多情况下，通过合理利用系统的资源、改善系统设计，还可以避免使用二极管和MOSFET电源选择开关，如图3所示，图中并没有使用MOSFET开关，系统电源可以在一节AA电池和USB输入间自动切换，当USB电源插入时，系统不会从AA电池取电。插入USB电源时，MAX8511 LDO把MAX1675的输出从3V提升到3.3V，并不需要将MAX1675升压转换器的关断(/SHDN)引脚驱动到地电平，以阻止AA电池供电。
作者：Len Sherman

首席科学家

Maxim Integrated Products