便携式军事应用中的电源管理解决方案

随着数字技术的进步，战场上士兵的背包设计迅速发展。一方面，部队需要有效的通信和即时访问战略信息。另一方面，设备需要在极端条件下存活，同时保持便携性而不影响性能。

图1：对于数字战场上的现代士兵来说，可靠的电子设备同样重要有效的武器。锂电池长期以来一直被认为是军事战场上便携式设备的最佳电源。虽然专业的军用级一次锂电池不易用于商业用途，但有一些商业级单元被指定用于满足极端温度，并且可以用于类似的坚固应用。 Tadiran电池的TL系列就是一个例子。然而，随着功率密度的增加和成本的降低，可充电锂电池现在变得更加可行。一个关键优势是它们可以从各种电源进行充电，包括便携式和可穿戴式太阳能电池板以及其他能量收集源。

电源管理是此类应用中的关键问题，军事系统倾向于使用开关DC/DC转换技术基于降压 - 升压拓扑。这些电源管理技术可以通过利用能量收集显着转移到需要电池充电的商业系统。典型解决方案包括凌力尔特公司的LTC3127 DC/DC降压 - 升压转换器和LTC3105 DC/DC转换器，以及德州仪器的扩展温度范围REG71050DDCT开关电容电压转换器和BQ24650电池充电控制器。

更轻的锂电 - 随着GPS，先进传感器和无线网络等技术的发展，现在战场上部署的军事人员可以使用的便携式电子设备种类繁多。越来越多的专用军用级可穿戴计算设备正在利用商业技术。尽管在背包和现场总部中为士兵使用的坚固耐用的便携式计算机的开发做出了相当大的努力，但今天的商用智能手机的剪切功能性能具有巨大的吸引力，尽管尚未得到广泛部署。同时，为士兵的背包充满电子设备维持电源需要仔细设计和考虑。

低功耗操作和移动充电能力是关键考虑因素。在所有电池技术中，锂已被证明是小巧轻便的，适用于manpack应用。当高性能军事系统需要时，它们可以快速释放足够高的功率。此外，他们可以在长期存储或休眠活动中维持其充电水平。更重要的是，它们坚固耐用，可在极端温度下工作，同时在损坏时也不会爆炸或点燃，例如用子弹。

直到最近，充电电池还不适合许多军事系统，主要是因为他们没有功率密度，使电池组更大更重。成本也是一个因素。然而，可充电设备的性能已得到改善，并且它们在现在部署的越来越多的便携式军用电子系统中被证明特别有用，例如夜视设备，紧急定位信标和基于GPS的跟踪器，以及便携式战术计算机和通信系统。与非可充电电池相比，它们的较短的工作寿命，有限的循环时间和较高的自放电率在某些应用中仍然被认为是不利的，但这些方面的技术也在改进。来自各种电源（如太阳能电池板）的现场充电功能减轻了一些不利因素。

专业从事军事和其他高性能应用的锂电池的领先供应商是Tadiran电池。该公司提供多种原型和可充电电池系列，具有各种形状因数和额定值。这些电池基于锂亚硫酰氯（Li/SOCI2）化学，通常具有高能量密度，高功率，低钝化，极低的自放电率，并且重要的是，在扩展的温度范围内可靠运行。筒管式结构版本可以承受压力和冲击以及温度的广泛波动。即使对于可充电电池，使用寿命也可长达15至25年。

该技术据称是需要低连续电流和/或中等脉冲电流的应用的理想选择。它们在远程监控应用，具有挑战性的环境条件和医疗设备以及军事设备中得到广泛应用。虽然专业初级（TLM）和可充电（TLI）军用电池通常是特殊订单，但市售TLH系列在-55至125°C的扩展温度范围内提供Tadiran成熟的技术。 TLH5903S是标准AA电池，额定电压为3.6 V，容量为2 Ah。建议的最大连续电流为100 mA，最大脉冲电流能力为200 mA在可再充电锂电池的军事应用中将如何广泛使用仍有待观察。为了给大型系统供电，它们有可能提供比传统铅酸或镍镉电池更高的能量密度。但是，它们需要满足扩展温度范围的要求，不仅用于存储，还用于充电。 Tadiran采用3.6 V AA TLI电池设置高压，工作温度范围为-40至85°C，可提供高达5 A的电流脉冲，并具有5，000次生命周期，相当于20年的使用寿命。重要的是，它们可以与太阳能和其他能量收集设备一起用于充电。

电源管理

在商业领域，用于电池供电产品的太阳能充电器正变得越来越普遍，导致对电源和电池管理电路。在军事应用中，电池和电源管理至关重要，部分原因是，与许多商业应用不同，电池通常需要在短时间内提供特定的功率水平，而不是稳定的电源供应。监测锂电池的充电和放电需要仔细考虑，同时需要在尺寸，重量，功率容量（功率）和能量容量（持续时间）之间取得平衡。

军事电子系统供应商越来越多地转向复杂的电源管理器，旨在为来自各种来源的任何负载提供所需的电源。这些设备需要管理能量清除，通常实现最大峰值功率跟踪，然后进行功率转换，以向诸如无线电和计算机的应用提供恒定，稳定的能量。监控和管理多个电源的输入和输出的能力至关重要。这些电源管理器还充当智能储能控制器，将太阳能引导至电池充电以供以后使用，或者如果太阳能系统中的能量不足，则切换到替代电源。

这些电源管理器的核心是DC/DC转换器技术，经常利用同步整流技术来减少损耗。对于未知的输入和输出电压，降压 - 升压拓扑结构是最受欢迎的，它可以提供95％或更高的整体转换效率。小尺寸和低功耗对于电源管理电路同样重要，特别是当集成到便携式或士兵式可穿戴设备中时。

凌力尔特公司提供LTC3127，一个降压升压型DC/DC转换器，可提供输出电流高于，低于或等于输出，输出电流为1A到稳压输出电压。该器件具有96％的高效同步整流特性，非常适用于采用超级电容器或电池供电的系统，这些电池由输出电流有严格限制的电源供电。

LTC3127的输入范围为1.8 V至5.5 V，输出范围为1.8 V至5.25 V，兼容USB和单节锂电池，镍氢电池或其他电池应用。下面的图2显示了锂离子电池限制为500 mA最大输入电流的典型应用。该器件结构紧凑，采用十引线DFN或热增强型十二引线MSOP封装。它还具有低功耗，即使在突发模式下也只需要35μA的静态电流，并且关断电流小于1μA。

图2：凌力尔特公司的LTC3127降压 - 升压型DC/DC转换器的应用原理图，用于锂电池充电电路，作为采用能量收集技术的电源管理系统的一部分。推荐用于太阳能电池/超级电容器充电器的线性电路是LTC3105高效升压型DC/DC转换器。该器件的输入电压低至225 mV，具有250 mV的启动能力，重要的是集成的最大功率点控制器（MPPC），是太阳能和光伏电池等替代电源的理想选择。用户可编程的MPPC设定点可最大限度地提高从电源中提取的能量。

对此类应用特别有用的附加功能包括辅助供电的6 mA LDO，为外部微控制器提供稳压轨和主输出正在充电时的传感器，以及仅为24μA的IQ的突发模式操作。该电路的工作温度范围为-40至85°C，具有低电压启动能力，可以提供足够的功率，使大多数天气条件下的400 mAh锂离子电池充满电。 》一个有用的应用笔记¹描述了基于LTC3105的太阳能锂离子电池充电器电路。

降压升压

同时，德州仪器提供适用于未调节输入电压的降压 - 升压电压转换器，如可以在包括锂离子的电池中找到。 REG71050是一款开关电容电压转换器，可接受从低于输出电压的输入电压，同时确保输出保持稳定。据称它可以在升压或降压应用中同样有效，在设备内进行自动模式切换。不需要电感器，因为该器件可提供低EMI DC/DC转换，并可自动降低输出电压纹波和输入电流纹波。高开关频率（1 MHz）允许使用小型表面贴装电容器TI推出了类似的电池充电控制方法，使用其BQ24650进行了太阳能优化。这款高度集成的开关模式电池充电控制器通过其MPPC功能提供输入电压调节，当输入降至编程电平以下时，可降低充电电流。当输入由太阳能电池板供电时，输入调节回路降低充电电流，使太阳能电池板可以提供最大功率输出。

采用恒定频率，同步PWM控制器提供高精度电流和电压调节，充电预处理，充电终止以及有用的充电状态输出以进行监控。如果电池电压低于内部阈值，则设备将自动重启充电周期;当输入电压低于电池电压时，设备将进入低静态电流（《15μA）休眠模式。《2.1》 2.1 V电池支持电压反馈至26 V，包括锂离子/聚合物和LiFePO 4。这款微型低功耗器件适用于各种太阳能电池充电应用，包括便携式手持设备和远程监控站。

图3：TI的BQ24650EVM -639评估板用于其同步开关模式太阳能电池充电控制器设备。

设计人员可能有兴趣使用TI评估板BQ24650 EVM-639试用BQ24650，其中包括控制器设备，可编程电阻， LED指示灯用于充电状态，测试点和简易探头连接以及跳线。还提供了描述性的用户指南²。