小型便攜式系統(tǒng)的能源管理

本應(yīng)用筆記介紹了采用四節(jié)和三節(jié)電池系統(tǒng)的便攜式應(yīng)用的電源管理方案。圖中顯示了升壓/降壓轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器、電壓轉(zhuǎn)換器、電荷泵和無電感穩(wěn)壓器的最佳設(shè)計和用途。提供多款Maxim電源管理器件。

許多不同和相互沖突的限制給小型手持產(chǎn)品的設(shè)計人員帶來了負(fù)擔(dān)。除了對尺寸和重量的常規(guī)限制外，這些限制還包括成本限制，嚴(yán)格的時間表，以周而不是小時為單位的電池壽命目標(biāo)，以及主機(jī)（有時）因電源管理需求而負(fù)擔(dān)過重。

由于手持式應(yīng)用的電源要求隨產(chǎn)品用途而有很大差異，因此這些應(yīng)用沒有單一的“最佳”電源。間歇性使用的設(shè)備更關(guān)注空載靜態(tài)電流而不是滿載效率，并且可以使用堿性電池令人滿意地運(yùn)行。然而，手機(jī)必須應(yīng)對高峰值負(fù)載和頻繁使用。這種工作模式強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換效率而不是靜態(tài)電流，因此手機(jī)最好使用可充電電池。

在手持式產(chǎn)品設(shè)計中，尺寸限制通常會決定在過程早期的電池數(shù)量。這對電氣工程師來說是令人沮喪的，也是一個很大的限制，因為允許的電池數(shù)量（和類型）決定了工作電壓范圍。這反過來又會強(qiáng)烈影響電源的成本和復(fù)雜性。高電池數(shù)允許使用線性穩(wěn)壓器和簡單電路，但代價是額外的重量和有限的效率。電池數(shù)量少迫使使用更昂貴的開關(guān)穩(wěn)壓器，但電池的低成本可能證明這種費用是合理的。

具有四個單元的設(shè)計

具有四個單節(jié)電池的設(shè)計通常在重量和使用壽命之間提供有吸引力的折衷方案。這個數(shù)字在堿性電池中特別受歡迎，因為它們通常以四的倍數(shù)出售。然而，用于5V電路的四節(jié)電池供電帶來了設(shè)計挑戰(zhàn)。當(dāng)電池放電時，穩(wěn)壓器必須首先降壓，然后再升壓。此要求排除了使用更簡單的單功能穩(wěn)壓器拓?fù)?，這些拓?fù)渲荒芙祲骸⑸龎夯蚍聪唷?/p>

這個問題的一個有效解決方案是單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），其中V外電容耦合到開關(guān)電路（圖 1）。沒有變壓器是這種配置相對于反激式變壓器穩(wěn)壓器和組合升壓/線性穩(wěn)壓器的幾個優(yōu)點之一。

圖1.該穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用MAX1771升壓控制器。它為 5V 至 3V 的輸入提供 8V。操作在升壓和降壓轉(zhuǎn)換之間平滑切換，無需更改步驟或模式。在停機(jī)期間，輸出完全關(guān)閉，不提供電流。

升壓設(shè)計（在升壓設(shè)計中，除非添加截止開關(guān)，否則電流會從電池中耗盡，參見圖2），這是對升壓設(shè)計的另一項改進(jìn)，SEPIC輸出完全關(guān)閉以響應(yīng)關(guān)斷命令。作為 V在正常工作時跌落，SEPIC電路平穩(wěn)調(diào)節(jié)V外無需將其工作模式更改為 V外方法五在.其功率轉(zhuǎn)換效率峰值為 86%，接近 200mA（圖 1）。

圖2.典型的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器提供從輸入到輸出的電流路徑，即使在斷電時也是如此。要中斷此路徑，必須添加斷開開關(guān) （Q2）。

線圈L1和L2（圖1）應(yīng)為相同類型并具有相同的值，但它們之間不需要耦合。為了方便起見，它們可以纏繞在同一磁芯上，但如果它們完全分開，電路的效果也同樣好。每個線圈僅通過峰值開關(guān)電流的一半（I峰= 100mV/R1 = 1.22A），因此每個都可以相應(yīng)地額定值。

電容C2將能量耦合到輸出，需要低有效串聯(lián)電阻（ESR）來處理高紋波電流。例如，低 ESR SANYO? OS-CON 電容器的效率比較便宜的 3μF 陶瓷電容器高 1%。不建議使用鉭電容器，因為高 ESR 會導(dǎo)致它們在高紋波電流下自熱。

二極管D2通過捕獲Q1漏極處的開關(guān)脈沖，為IC（引腳2）提供電源電壓。雖然該電壓（大約是VIN和VOUT的總和）將最大VIN限制在8V，但它提高了滿載下的啟動能力，并通過提升外部MOSFET的柵極驅(qū)動來提高低VIN效率。如果VIN不低于4V，則可以用3V閾值FET代替Q1，省略D2。在這種情況下，引腳2直接連接到VIN碼，假設(shè)上限為16.5V。

三節(jié)電池至 3.3V

對于3節(jié)電池設(shè)計，MAX8625A高效升壓/降壓穩(wěn)壓器集成功率MOSFET，提供3.3V和高達(dá)0.8A的輸出能力。該器件具有真關(guān)斷?功能，可在IC禁用時斷開輸出與輸入的連接。電路與四個內(nèi)部MOSFET（兩個開關(guān)和兩個同步整流器）和內(nèi)部補(bǔ)償相結(jié)合，最大限度地減少了外部元件。

低壓差、降壓轉(zhuǎn)換器

低壓邏輯（例如由3.3V供電的邏輯）現(xiàn)在支持使用4節(jié)電池輸入進(jìn)行簡單的降壓配置，從而優(yōu)化效率和成本。對于3.3V輸出，關(guān)鍵規(guī)格是壓差，即VIN和VOUT之間的最小允許差值。電池的“報廢”電壓因電池類型和產(chǎn)品的使用模式而異，但對于除鋰電池外的所有電池，它都在每節(jié)電池 0.8V 至 1V 的范圍內(nèi)。因此，3.3V穩(wěn)壓器在低至3.6V的輸入電壓下工作的情況并不少見。

可以從四節(jié)電池提供3.3V的中間電流負(fù)載。該 IC 驅(qū)動一個低閾值 p 溝道 MOSFET，并利用一個 110mV 的低電流檢測電壓將電流檢測損耗降至最低。為了獲得最佳性能，MOSFET導(dǎo)通電阻應(yīng)與電路的最低工作電壓（在本例中約為3.6V）一起指定。

線性穩(wěn)壓器

對于許多降壓應(yīng)用（根本沒有穩(wěn)壓器），成本最低的方法是線性穩(wěn)壓，前提是其效率和電池壽命限制是可以接受的，并且在較高V時的功耗。在是可管理的。

對于便攜式設(shè)計，即使是簡單的線性穩(wěn)壓器也會帶來一些挑戰(zhàn)。例如，壓差（低V在輸出調(diào)節(jié)丟失的水平）通常應(yīng)被視為正常工作的一部分，而不是故障。也就是說，為了延長運(yùn)行時間，建議允許穩(wěn)壓器在不關(guān)閉的情況下脫離監(jiān)管。穩(wěn)壓器在壓差期間的行為（尤其是其靜態(tài)電流）在這些設(shè)計中非常重要。

圖5所示的簡單線性穩(wěn)壓器具有出色的壓差特性，對工作電流影響很小。它本質(zhì)上是一個 8 引腳表面貼裝封裝，可提供超過 400mA 的電流。由于內(nèi)部調(diào)整元件是MOSFET而不是雙極晶體管，因此在輕負(fù)載時，電路的壓差幾乎為零。此外，其靜態(tài)電流不會像V那樣上升在方法五外.

圖5.內(nèi)部MOSFET調(diào)整管和高功率SO-8封裝的組合提供了一個低壓差、604μA工作電流和超過15mA輸出能力的線性穩(wěn)壓器（MAX400）。

最后一個特性對于穩(wěn)態(tài)負(fù)載不大于100μA的小型便攜式器件尤其重要。在此類設(shè)計中，毫安或更高的靜態(tài)電流上升（典型的是具有雙極性調(diào)整晶體管的低壓差穩(wěn)壓器）在電池最無法承受的時間加速電池放電：接近尾聲。通常，圖5中的IC無論在壓差還是壓差外，都會消耗15μA的工作電流。

從低電池數(shù)電池中升壓

在早期設(shè)計中，電池的電池數(shù)量很高——不是為了提供更多的能量，而是為了允許使用低成本線性穩(wěn)壓器（甚至根本沒有穩(wěn)壓器）產(chǎn)生系統(tǒng)電壓。然而，最新一代的電壓轉(zhuǎn)換IC可以減少電池數(shù)量，同時增加最少數(shù)量的外部元件。通常，這種額外的成本被較少的電池數(shù)量的好處所抵消：更小的尺寸，更輕的重量，以及（有時）更長的電池壽命。為了說明這一點，兩個AA電池的4.5Whr可用能量比3芯6V堿性電池中的9Whr高出50%，即使兩種電池拓?fù)湓诔叽绾椭亓可舷喈?dāng)。

圖6a的升壓穩(wěn)壓器為88節(jié)電池和2節(jié)電池輸入提供了1%的高效率;其 500kHz 的高開關(guān)頻率允許使用非常小的電感器。在輕負(fù)載或零負(fù)載時，IC的靜態(tài)電流僅為60μA，這對于電源電壓在產(chǎn)品關(guān)閉時必須保持有效的便攜式產(chǎn)品來說是一個有吸引力的特性。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入這種空閑或掛起模式時，負(fù)載電流降至微安，并且不得由進(jìn)入穩(wěn)壓器IC的電流主導(dǎo)。對于真正關(guān)斷的設(shè)備，IC提供非常低電流的關(guān)斷模式，其電流消耗小于1μA。

單節(jié)穩(wěn)壓器

當(dāng)尺寸至關(guān)重要時，使用 1 節(jié)電池供電是有意義的?，F(xiàn)在，當(dāng)輸入低于1V時，可以實現(xiàn)合理的效率和成本，因此許多手持式應(yīng)用已成為1節(jié)電池工作的新候選者。低成本IC的開關(guān)頻率現(xiàn)在接近1MHz，允許使用來自多個來源的小型磁性元件。因此，DC-DC電路占用的空間比它所取代的電池少并不罕見。

在圖6a中，在虛線內(nèi)增加Q1和Q2，允許穩(wěn)壓器從較低的輸入電壓和較高的負(fù)載電流開始。Q1還會在關(guān)斷期間斷開負(fù)載和電池的連接。片內(nèi)比較器不允許Q1再次導(dǎo)通，直到V。外已上升到至少 3V。 圖6b顯示了該電路的負(fù)載啟動能力和極低的典型啟動電壓（0.8V）。

圖6.低功耗CMOS升壓轉(zhuǎn)換器（MAX856） （a）從3節(jié)電池和3節(jié)電池輸入產(chǎn)生1.2V電壓。可選的負(fù)載斷開電路（虛線）使電路能夠以低至 0.8V （b） 的輸入啟動。

圖7還顯示了一款高功率、高效率升壓穩(wěn)壓器，其工作電壓低至0.7V （一旦啟動），啟動電壓為0.9V。輸出可固定為 5V 或可調(diào)升壓 （2.5V 至 5.5V），并能夠提供高達(dá) 1.5A 的電流。

MAX1703采用16引腳窄體SO封裝，包括一個非專用比較器，產(chǎn)生電源就緒或低電池電量警告輸出。

圖7.MAX1703處于高功率脈寬調(diào)制（PWM）模式。

無電感轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換適合狹小空間

盡管基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器取得了進(jìn)步，但大多數(shù)設(shè)計人員認(rèn)為理想的轉(zhuǎn)換器電路是沒有電感的電路。基于電容器的替代方案（電荷泵轉(zhuǎn)換器）過去因缺乏調(diào)節(jié)和有限的輸出電流而受到阻礙。雖然與開關(guān)穩(wěn)壓器相比仍然很低，但它們的輸出電流現(xiàn)在足以滿足許多設(shè)計的需求。在某些情況下，電荷泵的優(yōu)勢是引人注目的：低成本、小尺寸和更低的電磁干擾（EMI）。電荷泵在個人計算機(jī)存儲卡國際協(xié)會（PCMCIA）系統(tǒng)和其他組件高度有限的“信用卡”產(chǎn)品中特別有用。

圖8、圖9和圖10示出了三個無電感電壓轉(zhuǎn)換器。在圖8中，兩節(jié)電池或其他低壓電源的輸出轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2V ±5%。IC隨輸入電壓改變其工作模式，在低V時產(chǎn)生三倍頻器在，高V時的倍增器在，以及中頻三倍頻器，可在每個開關(guān)周期改變模式。效率范圍從85%到65%。低電源電流（空載工作條件下典型值為 75μA，停機(jī)模式時典型值為 1μA）使該電路可用作 DRAM 或偽靜態(tài) RAM （PSRAM） 的紐扣電池供電備用電源。

圖8.通過幾個外部電容，MAX619將2節(jié)或3節(jié)電池輸入升壓至5V，提供50mA （3V輸入），靜態(tài)電流僅為75μA。通過采用 SOT23 封裝的附加雙二極管和兩個電容器，該器件還可產(chǎn)生一個小的負(fù)輸出。

圖8中的可選二極管電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生-1.4V至-3V的未穩(wěn)壓負(fù)電壓。該輸出用作負(fù)電源，允許使用廉價的運(yùn)算放大器，從而簡化了模擬設(shè)計。負(fù)電源軌確保此類運(yùn)算放大器能夠完全擺動至地。

另一個電荷泵電路內(nèi)置在不到 0.1in2 的電路板面積中，可將 5V 轉(zhuǎn)換為閃存芯片編程所需的 12V 電平（圖 9）。閃存在PCMCIA卡中很常見，在緊湊型便攜式應(yīng)用中很受歡迎，因為它在狹小的空間內(nèi)提供大量的非易失性存儲，并且因為它只需要電源進(jìn)行讀寫操作。一些閃存IC工作在5V，但具有最高存儲器密度的閃存IC需要12V進(jìn)行編程。

圖9.對于閃存編程，該電路（MAX662A）產(chǎn)生穩(wěn)定的12V/30mA編程電壓，無需電感。它足夠小，可以放入信用卡大小的智能卡中。

受益于電荷泵使用的第三個應(yīng)用是優(yōu)化蜂窩和其他語音/數(shù)據(jù)無線收發(fā)器中的RF發(fā)射器效率。這些收發(fā)器的“通話時間”通過使用基于砷化鎵FET（GaAsFET）的功率放大器來延長，該功率放大器比基于雙極晶體管的功率放大器更有效。

雖然效率更高，但GaAsFET成本更高，并且需要很小的負(fù)偏置電壓。典型電荷泵為此應(yīng)用產(chǎn)生過多噪聲，但圖10芯片中的輸出電壓穩(wěn)壓器將輸出噪聲和紋波保持在1mV。P-P.將FB端子接地可將穩(wěn)壓輸出設(shè)置為-4.1V。（您可以使用兩個外部電阻器設(shè)置其他輸出電平。穩(wěn)壓和低噪聲通過輸出線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)，而圖8和圖9的電路則通過對電荷泵的開關(guān)動作進(jìn)行選通進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 10.該電荷泵電壓反相器（MAX850）用于偏置高效GaAsFET RF功率放大器，包括一個超靜音線性穩(wěn)壓器，可將輸出紋波和噪聲限制在1mV以下P-P.

間歇性大電流負(fù)載

許多手持式無線設(shè)計的第二個要求是對負(fù)載的突然變化做出快速響應(yīng)。電源可能在大多數(shù)情況下以毫安級空閑，但為了處理短距離的RF傳輸或CPU活動的突發(fā)，它還必須在短間隔內(nèi)提供高幅度電流。GSM蜂窩電話或其他采用時分多址（TDMA）技術(shù)的數(shù)字無線系統(tǒng)中的RF發(fā)射器要求特別高。

對于蜂窩手機(jī)，尺寸和重量最小的理想電池組合是三個鎳鎘電池。此應(yīng)用成本最低的RF發(fā)送器工作在6V或接近2V。您可能會期望能夠在 6V 下提供 5W 功率的開關(guān)穩(wěn)壓器的成本迫使使用 600 節(jié)電池。但是，在10%占空比下，高電流僅消耗<>μs左右，因此一個小的升壓IC可以為負(fù)載供電。

在圖11中，儲能電容同時為TDMA邏輯和RF電路供電。該電容器的平均電流為 200mA，但在 1.5A 時，其輸出壓降在 500μs 后小于 577mV。一個1Ω電阻（R1）將RF負(fù)載與DC-DC轉(zhuǎn)換器隔離開來。雖然4 x 470μF在手持設(shè)備中肯定是很大的緩沖電容，但四個表面貼裝電容比兩個額外的電池單元小得多，也便宜得多。該電路的平均功率轉(zhuǎn)換效率為80%，靜態(tài)電源電流僅為60μA。

圖 11.該電路采用MAX757升壓轉(zhuǎn)換器，包括一個大容性儲能器，為GSM蜂窩電話提供1.5A瞬態(tài)負(fù)載。平均負(fù)載僅為 200mA，因此 8 引腳表面貼裝升壓穩(wěn)壓器 IC 無需外部 MOSFET。

液晶偏置電源

便攜式設(shè)備中LCD面板的偏置要求涵蓋了廣泛的電壓和電流范圍，具體取決于顯示器的技術(shù)，屏幕尺寸和成本。偏置電壓可以是正電壓，也可以是負(fù)電壓，最高可達(dá)±30V。例如，圖12中的升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生20V至30V的輸出范圍，可通過數(shù)字控制或外部電位計（電位器）進(jìn)行調(diào)整。該電路的高開關(guān)頻率和可調(diào)電感電流限值允許使用小型表面貼裝電感器和輸出濾波電容器。例如，對于低于10mA的負(fù)載，所示的村田制作所LQH4線圈高度僅為2.6mm。

圖 12.該電路為LCD面板產(chǎn)生偏置（對比度）電壓，可通過電位計或4位DAC進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)。

請注意，電位器的配置不是任意的（參見圖12中的可選電路）。在FB和接地之間連接電位器（而不是FB和V）外）確保開路或嘈雜的電位游標(biāo)將產(chǎn)生低輸出電壓，而不是最大（可能具有破壞性）輸出。此外，將電位器及其游標(biāo)接地可最大限度地減少FB處的走線區(qū)域;如果交換 R8 和 R9，則 V外噪音可能會增加。

在 2 節(jié)或 3 節(jié)電池應(yīng)用中，您可以通過將 IC 偏置 5V（如果可用）而不是電池電壓來優(yōu)化效率。電感器仍從電池吸收電流，但芯片V+引腳上的更高電壓通過向Q1提供更多柵極驅(qū)動來提高效率。這反過來又降低了其導(dǎo)通電阻。但是，如果電池電壓超過5V，則V +應(yīng)直接連接到電池。V外如圖所示，可通過 4 位、3.3V CMOS 數(shù)字代碼或可選電位器進(jìn)行調(diào)整。

多種電源電壓

許多便攜式設(shè)計需要多個電源電壓。即使IC制造商增加了可由標(biāo)準(zhǔn)3.3V和5V電平供電的功能列表，優(yōu)化性能、重量、電池壽命和成本的需求仍然證明增加電壓是合理的。幸運(yùn)的是，使用多輸出IC最大限度地減少了產(chǎn)生這些電壓所需的元件數(shù)量。這些IC最大限度地減少了電路板面積和所需的“膠水”元件數(shù)量，同時提高了系統(tǒng)的低負(fù)載效率和其他性能參數(shù)。

MAX1748/MAX8726三路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器采用扁平TSSOP封裝，提供有源矩陣、薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）所需的穩(wěn)壓。這些器件將2.7V至5V輸入電源電壓轉(zhuǎn)換為三個獨立的輸出電壓：一個大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器（高達(dá)13V輸出）和兩個低功耗電荷泵獨立調(diào)節(jié)一個正輸出（高達(dá)+40V）和一個負(fù)輸出（低至-40V）。

圖 13.MAX1748/MAX8726從3節(jié)堿性電池或1節(jié)單節(jié)鋰離子（Li+）電池產(chǎn)生<>路獨立輸出。

簡單的電池充電

對于小型手持產(chǎn)品，空間不足和預(yù)算有限通常無法采用復(fù)雜的電池監(jiān)控和充電方案。在這些情況下，目標(biāo)是通過使用集成的獨立充電器來擠壓最大性能。

MAX846A是一款節(jié)省成本的多化學(xué)反應(yīng)電池充電器系統(tǒng)，采用節(jié)省空間的16引腳QSOP。該集成系統(tǒng)允許使用單個電路對不同的電池化學(xué)成分（Li+、NiMH 或 NiCd 電池）進(jìn)行充電。

在最簡單的應(yīng)用中，MAX846A為獨立的限流浮動電壓源（圖14），可為Li+電池充電。它還可以與低成本微控制器 （μC） 配對，構(gòu)建能夠為 Li+、NiMH 和 NiCd 電池充電的通用充電器。

圖 14.MAX846A獨立Li+充電器

USB為所有類型的低功耗電子產(chǎn)品提供了巨大的電源機(jī)會，其中許多是電池供電的。USB的廣泛普及為電池充電設(shè)計帶來了獨特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，許多充電器都可以輕松簡化USB設(shè)計。例如，MAX8856（圖15）是一款完整的1節(jié)Li+電池充電管理IC，可通過USB端口或AC適配器工作。該器件集成了電池斷接開關(guān)、電流檢測電路、PMOS 調(diào)整元件和熱調(diào)節(jié)電路，同時省去了外部反向阻斷肖特基二極管。這創(chuàng)造了一個簡單而小巧的充電解決方案。

對于雙交流適配器和USB電源輸入，可以使用MAX8903系列（圖16）。

圖 15.單Li+電池獨立應(yīng)用。

圖 16.單Li+電池充電器，帶雙交流適配器和USB電源輸入。

審核編輯：郭婷