电源管理原理解析及参考设计集锦
电源设计应用
描述
电源设计工程师通常采用灵活的电源监视、时序控制和调节电路来管理他们的系统。本文讨论电源管理的原理和方法。
多年来，为了使电子系统安全、经济、耐用和正常工作，对越来越多的电源电压进行监测和控制变得极为重要——特别是对于使用微处理器的系统。监测一组电源电压是否超过阈值或者仍然处于正常工作范围内，以及该电压是否相对于其它电压依照正确时序启动或关闭，对于系统工作的可靠性和安全性来说是至关重要的。对于这个问题，在每个不同角度上都有着许多解决的方法。例如，利用一个由精密电阻分压器、比较器和参考电压所组成的简单电路，能够用来检测一组电源电压是否高于或低于某一规定电压。在复位发生器中，例如ADM8032，这种元件与一个延迟元件相结合来控制器件——例如微处理器、专用集成电路（ASIC）和数字信号处理器（DSP）——在电源启动的同时就处于复位状态。这种等级的监测对于许多应用来说是足以胜任的。当需要监测多组电源电压时，通常将多个器件（或是多通道比较器及其相关电路）并联使用，但是增加了对监控IC的要求，不再是简单的阈值比较。
在许多应用中，电源的数目也显著增加。在一些复杂、昂贵的系统中，例如局域网（LAN）交换机和蜂窝电话基站，通常都会有内含10组或更多电源的线路卡；即使注重降低成本的消费类系统，例如等离子电视，也可能有多达15组的独立电源，其中许多电源需要监测和时序控制。现今许多高性能的IC都需要多组电源，例如，对于许多器件而言，提供独立的内核电源电压和I/O电源电压已成为一种标准作法。在高端产品方面，每颗 DSP可能需要高达四个独立供应的电源。在许多情况下，多颗多电源器件可能共同存在于同一系统中，其中包含FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器（以及模拟单元）。
许多器件都采用标准电源电压（例如 3.3 V），而另一些器件可能需要专用电源电压。除此之外，一个特定的标准电压还可能需要根据不同的供应对象而个别加以调整。例如，有时会需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL这样独立供应的模拟电源和数字电源。为了提高效率（例如：供应给内存使用的电源电流可能达到数百安培）或者为了满足时序要求（个别的器件在不同时间需要3.3 VA以及3.3 VB），多次产生相同的电压有时可能是必要的。所有的这些因素都促使电源数目的增加。电源电压监测和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计成能够支持电源上电和电源关断的时序控制、以及能够在工作期间内不同时间点上，针对各组电源所有可能的故障状况产生多种响应，而中心电源管理控制器正是解决这个难题的最佳方案。
随着电源电压数目的成加，故障发生的机率也随着增加。其风险与电源数目、器件数量和系统复杂程度成比例增加。外在因素也会增加风险，例如，假如在初始设计阶段，主要的ASIC的特性没有被完整的定义清楚，那么电源设计工程师必须用硬件方法完成电压阈值监测和时序控制，因为会随着ASIC的发展其电源电压指标会发生变化。假如其技术要求改变，那么其PCB必须根据——明确的进程予以修改，这通常涉及到成本问题。另外，对于某些特定器件来说，其电源电压的指标可能会在其开发期间有所变化。在这种情况之下，对于任一个中心电源系统管理器来说，一个易于调整电源电压的方法应该是非常有用的。事实上，在对于此类系统的电源进行监测、时序控制和调节所应具备的灵活性是非常必要的。
1.基本监测
图1示出一个利用ADCMP3543比较器和参考电压源IC监测多组电源电压的简单方法。其中，每组电源都使用一个独立的电路，电阻分压器将电源电压降低，并对每一组电源电压设定一个欠压跳变点。此外，所有的输出都结合起来，以产生一个公共的电源好信号。
图1.用于三电源系统基于比较器的欠压检测和共同电源准备好输出指示
2.基本时序控制
图2示出了如何用分立器件完成基本的时序控制，此处采用逻辑阈值而不是比较器。这里的12 V和5 V电源是在别处电路产生的。为了确保系统能够正确地工作，必须导入一段时间延迟。在此是利用一个电阻电容（RC）的组合，以便缓慢地将串联的5 V电源电压施加在 N沟道场效应晶体管（FET）的栅极上。此处所选用的RC值可确保在FET达到其阈值电压并且在开启之前有足够的延迟时间，其中3.3 V和1.8 V电源电压是由低压差（LDO）稳压器ADP33304和ADP33335产生的。这两个电压的启动时间也是利用RC时序控制的。由于RC能驱动每个LDO的关闭（SD）接脚，因此是不需要串联FET。这里设定的RC值是为了确保在SD接脚的电压爬升到其阈值以前有足够的延迟时间（t2， t3）。
图2．四组电源系统的基本分立式时序控制
这种简单、低成本的时序控制电源的方法，占用很少的PCB面积，所以许多应用都能够完全接受。这种方法适合于成本是主要考虑，对于时序要求很简单，而且时序电路的精确性不是十分重要的系统。
但在许多情况下，还会需要有比RC延迟电路更高的精确性。此外，这种简单的解决方案也不能容许以结构化的方法来处理故障情况（例如：一个5 V电源电压失效最后也会影响到其它电源电压）。
3.利用IC进行时序控制
图3示出如何使用ADM68206和ADM10867电源时序控制IC正确可靠地时序控制同一系统中的电源电压。内部比较器会检测电源电压何时超过精密设定值。经过可编程的启动延迟之后产生输出，从而使得ADP33098和ADP33359稳压器能按照需求的时序工作。使用电阻比值来设定阈值；利用一只电容器来设定延迟时间。
图3．使用监测IC实现的对对电源系统时序控制时序
市面上可提供多种多样的电源时序控制IC10。有一些器件具有能够直接启动电源模块的输出，并且可提供多种输出配置。有些IC包含内置电荷泵电压产生器。这点对于需要对上行产生时序控制，但却又欠缺高电压源（例如，12 V电源）的低电压系统特别有用，用以驱动N沟道FET栅极。许多这类器件也具有允许（enable）引脚，可以接受来自于按钮开关或是控制器的外部信号，以便在需要时能够重新启动时序控制或者关断所控制的电源。
4.集成的电源系统管理
有些系统具有许多电源，这类应用对于需要使用大量IC和利用电阻器和电容器来设定延迟时间和阈值幅度的分立式作法而言，会变得过于复杂、耗费成本，而且也无法提供适当的性能。
图4．一个用于八组供应系统的集中式排序以及监测解决方案
考虑一个具有八组电源，需要复杂电源启动的时序控制系统。必须监测每组电源，以免产生欠压或过压故障。当产生故障时，根据故障机制，要么关断所有电源电压，要么初始化关断电源时序。此外，必须根据控制信号的状态采取执行措施，并且必须根据电源的状态产生标志位。要利用分立器件和简单的IC来完成如此复杂的电路，可能需要动用数以百计的单独元件、占用很大的PCB面积以及便随的大量成本。
在具有四组或更多电源系统中，使用一个集中式的器件来管理电源会是比较合理的作法。这个方法的一个例子可从图4中看到。
5.集中式监测和时序控制
ADM106x Super Sequencer™11超级时序控制器系列仍然使用比较器，但是有一些重要的不同点。每个输入端都有两个专用的比较器，以完成欠压和过压检测，这样便可对ADP182112和ADP2105 DC/DC变换器和ADP1715 LDO所产生的电压提供区间监测。欠压故障是电源启动之前的正常状态，因此这个状态为时序控制提供指示。过压状态通常表示一种严重故障——例如FET或电感器短路，所以必须立即行动。
系统具有电源数量越多通常也会越复杂，因而受精度限制越严格。另外，在低电压状态下（例如1.0V和0.9V）利用电阻器来设定精确的阈值也成为问题。虽然在5V电源上可以接受10%的容许误差，但这个容许误差对于1V电源来说不能接受。ADM1066在最坏情况下允许输入检测器比较器的阈值设定在 1%范围内，而与电压值（低到0.6 V）无关，并且工作在该器件允许的整个温度范围，这可增加每个比较器的内部尖峰毛刺滤波和延迟。它的逻辑输入可以用来启动电源上电顺序、关闭所有的电源、或执行其它的功能。
这些来自一组比较器并且送往功能强大和灵活的状态机内核的信息，可用于以下几种用途：
时序控制：当最近被允许的电源输出电压进入到一个比较器区间内，可触发一个时间延迟以便按照启动电源的时序开启下一个电源。具有多重电源启动和电源关闭时序，或是具有差异甚大的电源启动和电源关闭时序的复杂时序控制都可以做到。
超时：假如一个已被允许的电源电压并未按照预期上来，可以执行一套适当的反应作业（例如产生一个中断信号或关闭系统）。相对之下，纯模拟的解决方案只会悬挂在时序中的那点上。
监测：假如任一电源上的电压超出了预设的区间，可以依据发生故障的电源、发生故障的类型和当前的工作模式，执行一套适当的反应作业。具有五组以上电源的系统通常都相当昂贵，因此全面的故障保护是极为重要的。
6.电源调整
除了能够监测多组电源电压以及提供复杂的时序控制解决方案之外，ADM1066这类集成电源管理器件，还可提供暂时性或是永久性调整个别电源电压的工具。 DC/DC变换器或稳压器的电压输出，可以通过调整该器件上的调整节点或者反馈节点上的电压来改变。一般来说，一个模块中介于输出与地线之间的电阻分压器，会在调整引脚和反馈引脚之间设定一个标称电压，从而设定出一标称输出电压。通过切换反馈回路中的额外电阻器或者控制可变电阻的简单机制，便可改变调整电压和反馈电压，进而调整输出电压。
ADM1066配备有数模转换器（DAC），可以直接控制调整节点和反馈节点。为了得到最大的效率，这些DAC不会在地线与最大电压之间工作，而是会以标称的调整电压或反馈电压为中心点，在一相当窄的区间中工作。衰减电阻器的阻值会经由DAC的每个LSB改变，来对电源模块输出的递增变化产生比例缩减的效果。这种开环调节方式提供了提升边限或者降低边限的标准，相当于那些利用参考电路中的数字电阻切换所获得的结果，并且可以将输出调整到类似的精度。ADM1066还包含一个用来测量电源电压的12 bit模数转换器（ADC）， 以方便实现一个闭环电源电压调节方法。通过给定的DAC输出设定，电源模块的电压输出可由ADC予以数字化，并用软件方法与所设定的目标电压进行比较。这样，便可调整DAC来校正电压输出，使其尽可能接近目标电压。这个闭环调节方法提供了一个非常精确的方式来调整电源。使用了闭环方法，就与外部电阻的精确度完全无关。在图4中，DC-DC4的输出电压便是利用其中一个内置DAC来加以调整的。
这种电源调节方案有两个主要用途，第一是电源容限的概念，也就是当电源处于设备规定的电源电压范围的边界值时，测试系统做出的反应。要求数据通讯、电信、蜂窝电话基础设施、服务器、和储存区域网络设备等制造商在将他们的系统交给终端客户之前必须严格测试。系统中的所有电源电压都应该在一定的容许误差范围内工作（例如±5%、±10%）。电源容限特性允许所有的内置电源电压通过确保正确工作所做的测试，调整到容许误差范围的上限和下限。具有电源调整能力的集中式电源管理器件，便可以用来进行这种电源容限测试，同时只需要完成一次测试所需的额外器件和PCB面积最小——在制造商的测试地点完成容限测试期间。四角区域测试——也就是通常需要在工作电压和温度范围进行测试，因此ADM106213除了具有闭环电源电压容限检测电路之外，还集成了温度检测和回读功能。
电源调节方案的第二个用途是为了补偿工作现场的系统电源电压的波动。有许多的原因会造成电源电压波动。就短期间而言，当温度改变时，电压的轻微改变是十分常见的；就长期来说，某些器件的参数可能会随产品的长期使用而产生轻微的漂移，这可能也会导致电源电压的漂移。ADC以及DAC环路可以周期性地被启动（例如每10，30，或60秒），再结合了软件校正环路，便能够将电源电压保持在其应有的状态。
7.使用灵活性
ADM1066具有内置非易失存储器，所以当系统的时序与监测需要在开发过程中逐步发展时，允许按照需求进行多次重新编程。这意味着硬件设计可以在产品原型设计的初期完成，而且监测和时序的最优化可以随着项目的进展来进行。
Intersil电池管理解决方案(BMS)
Intersil 可提供从输入过压保护 （OVP） 到多电池平衡的全系列 BMS。Intersil 充电器可满足手持设备、移动互联网设备 （MID）、笔记本电脑、电源工具和其他众多设备的充电需求。这可通过适用于紧凑型应用的全集成式解决方案和适用于更高功率应用的充电控制器得以实现。
工业级 BMS
Intersil 的锂离子电池组监测、保护和平衡 IC 的设计目的是：满足消费电子产品、家用电器、备用电池、电动摩托车/电动自行车等便携式和电池供电应用的严格的安全性、可靠性和性能要求。
解决方案概述
这些BMS集成电路集成内置的故障检测，所有主要的内部功能。它们可以检测外部故障，如明线和过/欠电压，以及温度和电池平衡故障，以减轻电池组故障。 整体的ISL94212，ISL94203和ISL94208的高度集成的功能提供了许多好处和它们的使用可以显著降低总体电池管理成本。
1）ISL94212：多节锂离子电池管理
ISL94212是一个多节锂离子电池管理IC的监督高达12串联电池。该部分进行准确的监测，电池均衡和广泛的系统诊断。
ISL94212应用框图
2）ISL94208：4至6节锂离子电池管理模拟前端
ISL94208用作微控制器，并且在多单元锂电池组中作过流保护模拟前端。
ISL94208应用框图
3）ISL94203：3至8节锂离子电池组监视器
ISL94203是支持3?8串联电池的锂离子电池监控器IC。它提供完整的电池监控和包装的控制。
ISL94203应用框图
4）ISL2802x：精密数字电源监视器
Intersil的ISL2802x数字电源监视器（DPM）系列，可在一个很宽的输入共模电压范围进行高精度测量（0V至60V），为设计人员提供安全边际高的水平，往往必需的是有线，无线和数据基础设施应用。
详细资料：Intersil工业级电池保护、监控与平衡解决方案
汽车级 BMS
Intersil的ISL78600汽车级锂离子电池管理解决方案专为满足下一代混合动力电动汽车（HEV），插电式混合电动车（PHEV）和电动汽车（EV）应用程序的严格的安全性，可靠性和性能要求。
在汽车级（AEC-Q100），ISL7860012芯电池组管理器可以用作ASIL额定BMS一个独立的部分或部署结合备份/冗余电池监测IC更高 ASIL评级。该ISL78600集成了内置的故障检测，其所有主要的内部功能，并检测外部故障，如开线，过压和欠压，以及温度和电池平衡故障，以减轻电 池组故障。总的来说，ISL78600的高度集成的功能提供了许多关键的好处，可以显著减少HEV/ PHEV/ EV的电池组及其相关系统的整体成本。
ISL78600：多节锂离子电池管理
ISL78600锂离子电池管理器集成电路监督多达12串联连接的电池。该器件提供准确的监测，电池均衡和广泛的系统诊断功能。三种电池平衡模式结合 - 手动均衡模式，定时平衡模式和自动平衡模式。自动均衡模式下终止时表示由主机微控制器规定的电荷转移的价值已经达到了平衡作用。
ISL78600应用框图
Intersil消费电子产品电源管理方案
移动设备的电源管理要求变得日益复杂，因为消费者要求智能手机与平板电脑具备更多的功能和应用支持。设备和显示器耗电更高，应用处理器变得比以 往更加强大，而设备尺寸却变得更小、更薄。通过利用过去几十年在微处理器领域不断完善的电源管理技术，包括以非常快的速度响应电源负载的快速瞬态响 应，Intersil 具备了得天独厚的优势，能够提供高效且功耗密集型的解决方案，通过单一、紧凑的集成型因数提高设备和系统的电池续航时间。
一、移动电话
1.移动电话设计框图
消费者不断要求智能手机和平板电脑支持更多功能和应用，这对设计提出了重重挑战，并加剧了市场竞争。Intersil 的数字电源平台正在推动创新，以满足当今最复杂的电源系统设计的要求。通过提供一流的电池管理、开关、LDO 和光传感器等，Intersil 可提供手机设计所需的效率和稳定性。
2.应用于移动电话的电源管理器件
1.电源管理
1）线性稳压器
ISL78302A：带低噪音、超高 PSRR 和低 IQ 的双 LDO
ISL78302A应用框图
2）多输出控制器
ISL9440B：三重降压 PWM 和单线性控制器（带可编程软启动）
ISL9440B应用框图
详细资料：移动电话电源管理器件
二、手持 GPS
对用于通勤和一般导航的 GPS 设备而言，准确性和可靠性至关重要。Intersil 由电源管理、转换器和接口产品组成的全面产品组合，配以软件和高级开发工具，有助于开发值得消费市场信赖的多功能 GPS 解决方案。
1.手持 GPS设计框图
2.应用于手持 GPS的电源管理器件
1）存储器电源管理：线性稳压器
2）WLAN 电源管理：集成式 FET 稳压器、线性稳压器 - 应用特定
详细资料：手持 GPS电源管理器件
三、游戏机
通过利用过去几十年在微处理器领域不断改善的电源管理技术，Intersil 可提供高效的功耗密集型解决方案，延长设备的电池寿命并推广令消费者心动的新游戏产品。
1.游戏机设计框图
2.应用于游戏机设计的电源管理器件
1）芯片集电源管理：多输出控制器
ISL6227：带DDR 选项的双路便携式 PWM 控制器
ISL6227应用框图
详细资料:游戏机电源管理器件
四、地面机顶盒 （NTSC/PAL）
Intersil 提供一系列电源模块、控制器、稳压器等，为充满竞争的消费市场开发尖端机顶盒设备。
1.地面机顶盒 （NTSC/PAL）设计框图
2.应用于地面机顶盒设计的电源管理器件
1)电源管理器件
2)SLIC电源管理器件
详细资料:地面机顶盒电源管理器件
五、数字视频录像机
Intersil 的视频产品范围从基本的构建模块到全面的系统整合芯片；经优化，可满足数字视频录像应用的价格、性能和功能要求。我们的电源、LCD 和音频/视频解决方案旨在推动创新，并为新的视频电子产品创造竞争优势。
1.数字视频录像机设计框图
2.应用于数字视频录像机设计的电源管理器件
1)存储器电源管理器件
2)系统电源管理器件
详细资料:数字视频录像机电源管理器件
文章详情：消费电子产品电源管理解决方案
Intersil汽车级TFT-LCD电源管理方案
Intersil公司的ISL78010是汽车电子级TFT-LCD显示器电源，它集成一个升压转换器和2A FET，两个用来产生VON 和 VLOGIC的正向LDO，以及用来产生VOFF的负向LDO。升压转换能编程在P模式工作，以得到最佳的瞬态响应，或工作在PI模式，以改善负载的调整 率。本文介绍了ISL78010的主要性能，方框图，升压稳压器方框图和典型的应用电路图以及手提/便携式显示器应用方案（LCD/OLED）。
Intersil汽车级TFT-LCD电源
Intersil 公司的ISL78010 - 汽车级 TFT-LCD 电源 IC，是 AEC- Q100 级产品，完全符合 ISO/TS 16949:2002 的要求，其在汽车温度范围（-40ºC~+105ºC）内工作。它是一款高度集成的产品，可以提升性能，并降低跟为 7~15 英寸显示器供电相关的成本。ISL78010 提供了增强型抗瞬变可靠性以及更高的电压能力，可以避免发生转换过程引起的杂散电容和寄生电感。ISL78010 为每条输出通道都整合了排序、调节电荷泵、2A FET和故障保护功能。该集成不仅削减了成本，增加了可用板空间，并且元件数量的减少海改善了系统的总平均故障时间（MTBF）。而且，ISL78010 还拥有4条高度精确的输出通道，从而实现了出色的性能。ISL78010 设计用于提供中型显示面板所需的、高达20V的升压电压，采用 TQFP 封装，可以改善防振可靠性以及适应电路板制造过程中引脚的肉眼检查。
ISL78010主要特性：
2A电流FET
3V — 5V 输入
高达20V的输出电压
精确至1%升压输出
VLOGIC-VBOOST-VOFF-VON or VLOGIC-VOFF-VBOOST-VON 时序控制
可编程序延迟
完善的故障保护
热关断
内部软启动
32 Ld 5x5的TQFP封装
应用：所有的车载液晶显示器
手提/便携式显示器应用方案 （LCD/OLED）
手提/便携式显示器应用方案
图1 ISL78010方框图
图2 升压稳压器方框图
图3 ISL78010应用电路图
便携式医疗应用的电源管理解决方案
在医师办公室或医院内外诊断健康问题的便携式医疗设备迅速增多。在将病人送往医院之前，便携式医疗保健设备可帮助医疗专业人士监控生命体征、恢 复心脏跳动、利用超声检查体内状况。便携式医疗的目标是提供易于使用、可互操作并具有诊断价值的家庭医疗保健设备，以便将相关费用纳入医疗保险范围。这样 就避免了医院出诊，降低了医疗成本。病人在家也可以使用便携式医疗设备来监控血压、肺活量、血糖水平，以及记录心脏事件。许多此类便携式医疗设备都带有 USB或无线数据连接，允许医疗专业人员在医院和在家不间断地监控病人状况。同时，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和蓝牙标准的互通协议，这将加速上述通信接口的采用。对于采用电池供电的便携式医疗设备，提高计算能 力、减小尺寸和延长运行时间的要求使得电源系统设计极具挑战性。电源系统对电池大小、运行时间、待机时间、物料（BOM）成本和可靠性均有影响。
便携式医疗系统所涵盖的应用极其广泛，包括血压监控、血糖仪、脉搏血氧仪和超声应用等。一些应用要求硬件长时间工作，而另一些应用则要求较短的工作时间 和较长的待机时间。虽然终端应用千差万别，但大多数便携式系统都可以简化为一系列核心功能：传感器采集数据，微处理器（带专用软件）分析数据，存储器存储 软件和数据，以及数据连接用于访问结果。图1显示了一个带键盘和显示器的典型手持式便携系统。当连接市电时，便携式系统必须能够发挥最大处理能力，同时不 会产生过多热量；当保持便携状态时，电池使用时间必须最大化。电池最长使用时间，即便携式设备在需要充电或更换电池前所能工作的时间，取决于电源系统因 素，如电池容量、电源系统效率和电源管理软件。只有充分利用所有这些因素降低电池消耗，才能使电池寿命达到最长。大多数高性能便携式系统采用3.6V标称 输出的锂离子充电电池供电。
便携式系统包含多个集成电路，各集成电路都有自己的优化半导体工艺和工作电压要求。便携式应用的IC采用比 电池更低的工作电压，因此需要使用降压调节器。当今最常用的调节器是低压差（LDO）和降压型开关调节器，如图2所示。LDO由基准电压源、误差放大器、 分压器和传输管（pass transistor）组成。低压差调节器只需使用两个外部电容就能用较高直流电压产生较低直流电压，十分简便。不过，当Vin远高于Vout时，LDO 效率低下，这是因为未输送到负载的功率会以热量形式损失。LDO效率约为（Vo/Vin）×100%。LDO无法储存大量未使用的能量，因此未输送到负载 的功率以热量形式在LDO内部耗散。例如，连接到3.6V电池的2.6V LDO的效率为72%。此外，当要求LDO最大程度地省电时，必须检查其静态电流和使能功能。当系统处于正常工作模式与休眠模式之间的空闲模式时，低静态 电流（Iq）可以减少系统的功耗，从而提高系统的自主性。使能输入引脚允许LDO关断，使休眠模式下的功耗不到1 μA，从而延长电池使用时间。例如，ADP150就是一款出色的低静态电流LDO。
图1. 通用手持便携式系统
当电源电压比工作电压高得多时，开关DC/DC转换器是更好的选择，它能够实现更高的效率，因为在将一个直流电压转换为另一个直流电压时，它能够将能量 临时储存在电感的磁场中，然后释放给负载。便携式开关调节器以500 kHz到3 MHz的频率工作。DC/DC开关转换器有多种拓扑结构。内置开关元件的同步降压型调节器用于输出电压远低于输入电压的场合，在便携式系统中最为常用。用 降压调节器替换LDO可以提高系统效率。例如，当利用LDO将系统电压从3.6 V降至1.2 V，为负载电流为300 mA的微处理器内核供电时，LDO效率约为1.2V/3.6V × 100% = 33%，67%的输入功率以热量形式损失。为了提高效率并降低工作温度，应当用ADP2108等降压转换器取代LDO。降压转换器能将能量储存在电感的磁 场中，因而效率更高。使用ADIsimPower™可知，在相同条件下ADP2108的效率为80%，比LDO提高47%。设计工程师会发 现，ADP2108尺寸较小，仅使用两个去耦电容和一个1 μH芯片电感，几乎可以直接取代LDO。选择降压转换器时需要考虑的其它省电特性包括：低静态电流、使能功能以及负载电流较小情况下的省电模式。
图2. LDO和降压转换器的功能框图
为使电池使用时间达到最长，除了优化便携式系统硬件效率以外，还必须优化电源管理软件。运行复杂的专用软件对计算能力提出了更高要求，需要使用高耗电量 的高速微处理器。降低处理器速度可以降低功耗，延长电池运行时间，但软件性能会下降。系统架构师可以通过选择最适合应用的处理器速度来提高系统效率。便携 式系统的另一种省电方法是关断不用的子系统，如微处理器、显示器背光、数据端口和处于测量间隙的传感器，使用调节器的使能输入或 ADP190/ADP195等负载开关来隔离电池，如图1所示。
设计便携式电源系统时，并不存在万用的解决方案。延长电池使用时间的方法有许多种，某种方法可能优于其它方法。本文所述的技术同时适用于便携式和市电供电的医疗设备，能够提高系统效率，降低内部温度和运行成本。
作者简介
Ken Marasco是ADI公司电源管理部便携式电源系统应用经理，负责便携式电源产品的技术支持工作。他毕业于纽约理工学院（NYIT），获得应用物理学学位，拥有35年的系统和器件设计经验。
新兴电源应用的电池管理解决方案
1.电池管理系统概述
在便携式应用中，空间是极其重要的。TI提供的高级解决方 案采用QFN和晶圆级芯片规模封装并具有很高的集成度，旨在缩减解决方案的外形尺寸。除了减少板级空间占用之外，许多此类解决方案还降低了功率耗散并提高 了总体效率。TI的电池管理解决方案可支持多种电池化学组成和电池单元数量，从普遍使用的锂离子电池（Li-Ion）技术到业界标准的镍氢电池 （NiMH）和铅酸电池等。TI的相关产品支持广泛的应用，例如：移动电话、智能手机、平板电脑、便携式消费设备、便携式导航装置、笔记本电脑以及诸多工 业和医疗应用等。TI拥有与您的设计规范相匹配的电池管理器件，另外，我们还提供了可帮助您的设计更快面市所需的评估板、应用手册、样片和数据表。
2.设计因素
电池化学组成－ 每种电池化学组成具有不同的工作特性，例如：放电模式和自放电速率。TI的电池电量监测IC是按照电池化学组成开发的，以补偿这些差异，从而准确地显示电 池中的剩余电能。而且，每种电池化学组成对其充电算法都具有独特的要求，这对最大限度地扩充其容量、延长电池使用寿命以及提高安全性至关重要。
充电控制拓扑结构－ 简单的线性拓扑结构非常适合于充电电流小于1A的低功率电池组（例如：单节或两节锂离子电池）应用。开关模式拓扑结构则理想适用于依靠USB端口执行的快 速充电或者那些要求充电速率大于1A的大型电池组。开关模式转换可将充电过程中产生的热量减至最少。无线电源拓扑结构采用共有磁场，以提供非接触式功率传 送的优势。无线充电为便携式设备提供了一种额外的电池充电选项，也可作为其他5V充电电源的替代方案。
输入电压－IC宽阔的输入电压范围和输入过压保护不仅能实现最高的安全性，同时还能允许使用低成本的未稳压墙式适配器。
串接电池的数量－电池组由一串串联和并联的电池所构成。对于每个串联电池或并联电池组都必需提供针对过度充电、过度放电和短路状况的保护作用。
电池管理
3.电池管理解决方案
1）新兴电源应用之太阳能充电
光伏技术业已取得重大进步，目前能够从太阳实现更具成本效益和高效率的能量收集。如今的大多数太阳能收集均使用高功率设施，这些设施负责向家庭或商业楼 宇提供补充的交流（AC）功率，且通常与公用电网相连。然而，现实中的许多设备和装置仍未与电网相连接，或者电网本身可靠性欠佳，再或者与交流电源的连接 完全不切实际。在这些应用中，利用太阳来给那些负责为离网应用供电的电池实施充电是一种更为实用的解决方案。对于此类应用而言往往需要在成本与光伏效率之 间进行权衡。既要最大限度地增加可从太阳能板获取的功率，同时也必需兼顾总体系统的成本和尺寸。
下面的示意图给出了两个低成本太阳能充 电器应用的实例，其中，电池充电器与简单的电路实现了集成（以最大限度地提高太阳能板的功率点），并且与用于负载调节的电路进行了集成。通过增设诸如 LED驱动器等器件，即可开发简单的太阳能街灯或太阳能灯笼。由一个USB开关和一个升压型转换器构成的实现方案能够形成一种适合便携式设备的简单的太阳 能充电器。其他应用可实现用于太阳能供电风扇或泵类的电机驱动器。这些只是TI新型太阳能充电器IC系列所能实现的诸多应用选项当中的一小部分而已。
太阳能充电应用框图
2）新兴电源应用之混合动力汽车（HEV）电池管理
电池管理电池管理系统（BMS）是HEV整体架构中的要素之一。智能型实现方案不仅能够延长电池的使用寿命，而且还有望延长汽车采用纯电力驱动模式时的 行驶距离，对于最终用户来说这是一个关键的卖点。BMS模块需要具有电池监控和电池电量平衡特性，常常通过不同的通信路径进行连接以确保系统冗余度。另 外，内置的温度管理功能电路对于系统的寿命及安全性来说也是一个至关重要的因素。完整的BMS代表了一种安全关键程度很高的功能；因此，可靠的通信和准确 的数据测量是不可或缺的。
混合动力汽车电池管理
3）新兴电源应用能量收集
由于人们正在开发各种新型的可替代（离网）能源，因而需要用于收集、存储和调节此类电能的电源管理技术。来自诸如光伏板、动力（振动）MEMS和热电元 件（利用了帕尔贴［Peltier］、汤姆逊［Thompson］或塞贝克［Seebeck］效应）等能量源的能量提出了一项挑战，就是如何将超低的“毫 微”级功率转换至更加可用的水平、并将此能量存储起来以供日后之用。TI持续不断地开发旨在应对这些能量收集难题的新型电源管理IC，包括超低功耗器件， 如LDO和高效升压型转换器及电池充电器。这些电源管理器件进一步完善了TI的低功耗MCU及射频（RF）、放大器和传感器IC产品线——从而为利用新型 超低功率可替代能源供电的系统提供了一种整体解决方案。
能量收集应用框图
4）无线电源
作为最早推出符合Qi标准之器件的厂商，TI是新型无线电源市场的领导者。无线电源联盟（WirelessPowerConsortium）目前的会员超过81个，TI便是其中之一。该联盟正在制定使用Qi标准来实现可互操作型无线充电的国际标准。
bqTESLA芯片组使得客户能够为其电子设备提供高达5W的功率，因而符合Qi标准。目前，组成bqTESLA芯片组的发送器和接收器解决方案已经达 到了规模生产的要求。bqTESLA接收器系列包括bq51013和bq51011，可输出5V电压并利用嵌入式通信技术提供闭环控制。软件已被写入器 件，故而无需进行软件编程。bqTESLA发送器系列包含bq500210和bq500211，可操作和控制符合Qi标准的无线电源功能。
TI相关电源管理产品：
适用于太阳能的BQ24650评估模块同步开关模式电池充电控制器
TPS61202:采用 3x3 QFN 封装、具有 1.3A 开关和“降压模式”的 0.3V 输入电压升压转换器
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