许多系统需要电池供电。 电池可用于在停电时提供备用电源，但主要用于移动设备——大到电动汽车，小到助听器。 在所有电池供电系统中，电源效率是关键。 电源效率越低，电池越大，在相同的运行时间内成本越高。 此外，电池根据充电状态提供不同的电压。 这需要一个特殊的电源转换器来将电池提供的可变电压调节到系统电子设备所需的稳定电压。 如今，大多数电池供电系统使用可充电电池而不是不可充电原电池。 这需要在系统中包含电池充电器。 在本文中，我们将介绍各种电池充电架构和一些创新的新用例。 当然，电源转换效率是重中之重。
图1所示为电池供电系统的系统原理图。 虽然具体的实现会因用例而异，但一般来说，所有系统都将包括图中所示的主要功能块。 系统中有某种电源电压，它为系统供电。 这种连接通常需要是可切换的。 如果电源是壁式交流电源转换器，则拔下低压电源线的效果与将电源开关切换到图 1 中的关闭位置相同。 这种电源路径管理是必要的，以避免通过连接到电源的附加电路来使用宝贵的电池电量。 此外，图1中还有一个潜在的第二个电源。 使用电源开关模块，可以在电源 1 或电源 2 的功率流之间切换。 例如，电源 2 可以是 USB 5V 电源。
图1电池供电系统的简化系统图。
然后，该电源被转换为安全地为可用电池充电，并直接为系统供电。 如果没有可用的输入电源，电池中存储的能量将通过一个非常高效的开关模式电源转换器为系统供电。
电池供电系统的电源效率电池充电通常不需要非常高的电源效率。 除了能量收集外，大多数电池供电的系统还接收到足够的电力来为电池充电。 例如，当手机连接到充电器时，大多数人通常不关心充电过程的确切效率。
然而，在能量收集系统中，充电期间的电源效率至关重要。 最终，充电过程中更高的功率效率直接导致更小的能量收集器尺寸，从而降低系统成本并减小系统尺寸。
但是，当电池放电时，所有电池供电系统都会重视电源转换效率。 在相同的系统运行时间下，此过程中的功率转换效率越高，所需的电池容量就越小。
需要进一步评估该功率转换级产生从电池产生负载所需的电压的效率。 一个是满载转换效率，它提供有关系统在标称负载下可以运行多长时间的信息，以及轻载效率，这对许多系统来说很重要。 这是非常小负载下的功率转换效率。 对于电池供电的烟雾探测器，它可以在烟雾探测阶段以低负载电流运行多年，直到检测到烟雾并发出警报。 报警是由大电流引发的，但此阶段的电源效率与需要更换电池的点关系不大。
当负载功耗非常低时，静态电流IQ与效率有关。 静态电流越低越好。 该静态电流与开关方案一起决定了低负载效率。 图2显示了使用和不使用轻载效率模式的典型效率曲线。 轻载效率模式为蓝色曲线，固定开关频率模式为黑色虚线。 许多电源转换电路使用此模式来提高轻载效率。 通常，它的工作原理是停止使用恒定开关频率，仅在输出电压略有下降时产生几个开关脉冲。 在这些突发之间的时间里，电源转换器会关闭许多功能以节省功耗。 这些低功耗模式可能因IC的具体架构而略有不同，但这些特殊模式在轻负载下始终提供非常高的效率。
图2ADP2370降压稳压器的功率转换效率是激活低负载关断模式，并在所有负载下使用固定的600 kHz开关频率。
如图2所示，1 mA输出负载下的效率差异很大。 在1 mA的轻负载下激活省电模式时，即使负载降至100 A，电源转换效率也为50%。 在未激活省电模式的情况下，在600 kHz的固定开关频率下，效率仅为15%左右。
电源转换挑战如上所述，电源转换效率在电池供电系统中非常重要。 电池供电系统可以从所有现有类型的拓扑中进行选择。 常用的拓扑结构之一是四开关降压-升压转换器。 许多系统需要 33 V 电源电压，由单节锂离子电池供电。 该电池提供 3 个6 V 标称电压，但后来在放电状态下，它们仅提供 2 V8 V 至 3电压在 0 V 之间。 为了延长系统的正常运行时间，我们需要尽可能多地使用电池的能量。 在 3在 3 V 系统中，当锂离子电池充满电时，我们需要将其电压从 36 V 至 3 V3 v。但是，当电池放电接近尾声时，我们需要放置 28 V 升压至 33 v。这需要一个降压-升压电路。 有许多不同类型的降压-升压电路。 例如，适用的拓扑结构包括基于变压器的反激式、双电感器单端初级电感器转换器 （SEPIC） 和四开关降压-升压拓扑结构。 通常选择四开关降压-升压拓扑，因为与其他两种拓扑相比，它具有最高的功率转换效率。
图 3 显示了四开关降压-升压拓扑的概念。
图3四通道开关降压-升压型电源转换器的示例，例如 LT3154 降压-升压型 DC-DC 转换器。
使用两节串联锂离子电池而不是一节锂离子电池，完全消除了降压-升压拓扑结构。 在这种情况下，只需要一个简单的降压电源转换器。 但是，我们需要在第二块电池上投入额外的精力和成本。 此外，为两块电池充电比只为一块电池充电更具挑战性。 当两个电池串联使用时，最大电压为72 v。功率转换器需要更高电压的半导体工艺，而不是典型的最大 55 V 工艺。 这不是问题，但DC-DC电源转换器的半导体成本可能会略高。
选择合适的电池充电器市场上有许多电池充电器IC。 电池充电器是一种以安全的方式提供电压和电流为电池充电的设备。 在选择集成电路时，首先需要决定是使用线性充电器还是开关充电器。 线性充电器就像一个线性稳压器，只能降低可用电压。 输入电流大致等于输出电流。
例如，如果耗尽的电池电压为 08 V，可用系统电压为 33 V，则线性充电器必须降压至 25 v。如果充电电流为 1 A，则线性充电器消耗 25 W 功率。 这是可能的，但如果系统电压为 12 V，则功耗将为 112 w。因此，对于充电电流较低且系统电压接近电池电压的应用，线性充电器是合理的选择。
对于所有其他应用，建议使用开关充电器。 市场上的大多数电池充电器IC都是开关模式电池充电器。 这些器件属于经典的开关模式电源 （SMPS） 器件，具有支持电池充电的特殊功能。 它可以用恒压或恒流充电，有时两者兼而有之，并且还提供特殊功能以确保安全充电。 这可以是一个计时器，用于检测所连接电池的缺陷，也可以包括一个温度传感器，用于限制充电过程中的电池温度，以避免在不同情况下发生热失控。 另一个受欢迎的功能是电池组和电池充电器之间的安全检查，它监控连接到系统的电池是否获得许可。
图 4 显示了独立的 SMPS 电池充电器解决方案。 该MAX77985用于实现降压型 SMPS 电池充电器和电源路径切换。 电源路径开关是大多数应用的基本功能。 电池充满电后，它会断开输入轨与电池的连接，以防止电池电量通过可能连接到输入电源线的电路耗尽。 此外，该解决方案还具有一个数字 I2C 接口，可更改充电器 IC 的某些设置以及遥测目的。 为了使电池充电器尽可能灵活，数字接口允许设置不同的电池类型和电池尺寸。
图4MAX77985独立电池充电器简化了电路图。
在众多不同的特征中，有一个项目特别值得注意。 MAX77985中的集成电源开关不仅可以在降压模式下为电池充电，还可以用于将电池电压提升到更高的系统电压。 在某种程度上，这款电池充电器是系统电源转换器和纯电池充电器的组合。
电池供电设备需要许多不同的电气功能。 有些产品仅提供基本功能，而另一些产品则在单个集成电路中高度集成了大部分功能。 该产品称为系统电源管理集成电路（PMIC），在电池供电应用中特别受欢迎。 造成这种情况的原因有很多。 原因之一是许多电池供电系统非常小，需要紧凑的系统解决方案。 第二个原因是每个单独的IC都有一定的静态电流，IC在打开或关闭时总是会消耗一些功率，最终会耗尽电池电量。 在大多数情况下，将许多不同的集成电路组合到单个PMIC器件中可以降低系统的静态电流。
在过去的 20 年里，高容量锂离子电池的出现改变了电池供电系统的面貌。 许多集成电路可用于有效地对这些电池进行充电和放电。 如今，为了提高单位重量和体积的容量，加快电池的充电速度，保证电池的安全性，业界正在对未来的电池结构进行大量研究。 随着电池技术的不断发展，电池充放电集成电路的创新也将永无止境。
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