作為一名便攜式產(chǎn)品電源系統(tǒng)設計人員想到的 - 全文

最近，我終于有時間清理扔在我辦公室柜子后角的一些舊盒子，它們大多屬于早已被遺忘的舊筆記本和圖紙，但我發(fā)現(xiàn)了一件很有意思的東西，我決定留下作為歷史紀念。這是我至少從 1993 年保存到現(xiàn)在的第一本鋰離子電池規(guī)范說明書傳真件。

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那時候，我的工作是為便攜式計算機開發(fā)電池組和充電系統(tǒng)。鋰離子技術(shù)當時只是作為高端便攜式產(chǎn)品的“未來潮流”初露鋒芒。我們知道它價格昂貴，沒有真正在意。順便提一件我覺得非常有意思的事，在去年超級本產(chǎn)品上市前，一般的筆記本電腦所使用的電池尺寸、重量及典型三小時電池使用壽命與我們 20 年前的設計相差無幾。

作為一名多年為便攜式產(chǎn)品設計電源系統(tǒng)的設計人員，我已經(jīng)認識到對“我們這種人”看似魅力無窮的新技術(shù)往往不為最終用戶所看重。解決方案的技術(shù)細節(jié)及高級程度讓我們深感振奮，但對從未看到過設備內(nèi)部的人來說，他們的觀點可能就會大相徑庭。

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“傳統(tǒng)”鋰離子（鈷）18650 電池性能加州 1993 額定性能為 1300mAH，最大放電速率不超過 1C。如今與之具有同等尺寸的“能源電池”擁有其大約兩倍的容量和速率性能。

我還記得1991 年第一次向新聞記者展示新產(chǎn)品（首款采用 80486 處理器的便攜式計算機）的時候，我感覺非常氣餒，因為對他來說，最值得興奮的特性是有橡膠腳的可拆卸鍵盤。而任何與內(nèi)部電路有關(guān)的問題他卻絲毫未曾問及。不過理所當然的是，如果任何這種看不見的電路性能低下或者完全處于故障狀態(tài)，肯定會引起某人的注意。看來對電源設計人員而言，最理想的情況就是從來沒有人注意到自己的工作。我們中的許多人可能會感到自己默默無聞，但這可能不是什么壞事。

隨著可移植特性進入越來越多的產(chǎn)品，電源和電池管理設計理所當然至關(guān)重要，即便這不被最終用戶認可。他們所關(guān)注的是各種缺陷。能想到的典型例子有：“我的膝上型電腦太熱，沒法真正放在膝上使用”，或是“我必須一天為我的手機電池充電兩次”。這有點像一所房屋的地基，如果它堅實、建造良好，沒有人會想起它。但如果每次下雨您的地下室都進水，那么就真的遇到難題了。

所以，讓我們回到我剛開始提及的“古老”電池技術(shù)。雖然電池在過去 20 年里的發(fā)展速度沒有半導體技術(shù)那么快，但也有顯著變化和發(fā)展。特別是在過去五到七年里，在經(jīng)濟和技術(shù)性能需求的雙重推動下，用于特殊應用和新興應用的各種備選化學類型實現(xiàn)了商業(yè)化。目前有多家廠商提供各種尺寸、功率額定值和化學類型的電池。事實上，選擇非常豐富，現(xiàn)在許多系統(tǒng)設計人員甚至都不知到從哪里入手了。

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典型的陽極及陰極材料均用于鋰離子電池。上表中所有的電池都視為“鋰離子”，但其工作電壓范圍可能會如表所示，變化幅度非常大。此外，它們還將具有不同的容量、充電循環(huán)使用壽命以及充／放電速率性能（表中未顯示）。

雖然我們可能會認為相關(guān)電池的基本決定是“我應該使用鋰離子電池還是其它電池”，但只要快速瀏覽上表就會知道，不是所有鋰離子都是一樣的。如果回到 93 年，決定就非常簡單了，但現(xiàn)在這些技術(shù)之間已經(jīng)存在著某些顯著的差異。

比如說最終產(chǎn)品是某種類型的便攜式設備，無論是智能手機、計算機、媒體播放器、電動工具還是某種類型的專用醫(yī)療儀器，都可以放心大膽地說每年的新型號與上一代產(chǎn)品相比，都有某種程度的增強性能（更快的處理器、更好的顯示效果、更大的存儲器容量、功能更強大的電機等）。但是，鑒于這些產(chǎn)品可能都有外部配件，特別是電池組和充電器／適配器，對于可能已經(jīng)購買大量配件的客戶而言，保持向后兼容性是他們保持品牌忠誠度的強大動力。因此，常見的情況是基礎性電源系統(tǒng)架構(gòu)（系統(tǒng)電壓軌、外部充電器電壓和／或電池組尺寸或類型）可能跨越多代產(chǎn)品而保持不變。

現(xiàn)在，大多數(shù)電池制造商都在其電池設計中提供高能源及高速率選項，部分還提供高溫選項。雖然電池往往是以其性能參數(shù)而非化學成分來描述的，但由于制造商可能不希望將其秘密配方言之過詳，所以熟悉各種化學門類基本術(shù)語對系統(tǒng)設計工程師而言非常有用。原始配方 LiCoO2 通常簡稱鈷技術(shù)，雖然主要出于成本原因，這種技術(shù)正在隨時間推移而退出市場，但其使用仍然相當普遍。LiFePO4（簡稱磷酸鹽）和現(xiàn)有鋰—鎳—錳—鈷 (NMC) 等替代性化學物質(zhì)已經(jīng)針對需要更高速率的各種應用進行了優(yōu)化，但也可以作為折衷方案，針對能量（容量）進行優(yōu)化。

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鋰離子 IBR18650BC（Mn-NMC 混合物）電源電池性能，雖然容量（約 1500mAH）只略高于“經(jīng)典”LiCoO2 電池，但這種類型的鋰離子電池可在高電流下放電，速率達 20C，而且充電只需幾分鐘。數(shù)據(jù)由 E-One Moli Energy（加拿大）有限公司提供。

需要根據(jù)系統(tǒng)設計的重點權(quán)衡性能規(guī)范。例如，對于準備在室內(nèi)使用的產(chǎn)品，低溫性能可能不是重點，但如果這種室內(nèi)產(chǎn)品會頻繁發(fā)生負載浪涌，那么高峰值電流功能可能會非常重要。充電循環(huán)使用壽命又當如何？產(chǎn)品是主要使用電池供電并且需要（頻繁）定期充電，還是在主電源發(fā)生故障時作為主要備用電池？可不可以靈活地改變外部充電器的電壓輸出，或者是否需要與原有配件兼容？

因此，每過幾年，如果有機會做出要使用電池類型的真正決定，需要仔細考慮。在出資購買前花幾天甚至幾星期時間來考慮，有可能會讓你和你的公司能夠長期避免大量的麻煩。深入了解一下是值得的。多和幾家不同的電池供應商談談，根據(jù)系統(tǒng)的預期用途需求對每種技術(shù)的利弊進行權(quán)衡。在實際工作條件下測試這些電池的性能。這種“瑣碎”的決定或許是您的客戶從來就不會注意的事情，但它是整體性能與整體系統(tǒng)設計可用性的基礎。

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UpalSengupta 是TI 電池管理解決方案產(chǎn)品部的高級應用工程師，從事過多種應用／系統(tǒng)工程設計與技術(shù)市場營銷方面的工作，所有這些都與便攜式電源及電池管理息息相關(guān)。在加入TI 前，Upal 曾效力過多家便攜式計算機及移動電話OEM 廠商，擔任過各種與電源系統(tǒng)設計有關(guān)的工作。Upal 先后畢業(yè)于伊利諾伊大學 (the University of Illinois) 與密歇根州立大學 (Michigan State University)，分別獲電氣工程學士學位與電氣工程碩士學位。