小型便攜式系統(tǒng)的能源管理

本應用筆記介紹了采用四節(jié)和三節(jié)電池系統(tǒng)的便攜式應用的電源管理方案。圖中顯示了升壓/降壓轉換器、線性穩(wěn)壓器、電壓轉換器、電荷泵和無電感穩(wěn)壓器的最佳設計和用途。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品的設計人員帶來了負擔。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，嚴格的時間表，以周而不是小時為單位的電池壽命目標，以及主機（有時）因電源管理需求而負擔過重。

由于手持式應用的電源要求隨產品用途而有很大差異，因此這些應用沒有單一的“最佳”電源。間歇性使用的設備更關注空載靜態(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行。然而，手機必須應對高峰值負載和頻繁使用。這種工作模式強調轉換效率而不是靜態(tài)電流，因此手機最好使用可充電電池。

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

具有四個單元的設計

具有四個單節(jié)電池的設計通常在重量和使用壽命之間提供有吸引力的折衷方案。這個數字在堿性電池中特別受歡迎，因為它們通常以四的倍數出售。然而，用于5V電路的四節(jié)電池供電帶來了設計挑戰(zhàn)。當電池放電時，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)壓器拓撲，這些拓撲只能降壓、升壓或反相。

這個問題的一個有效解決方案是單端初級電感轉換器（SEPIC），其中V外電容耦合到開關電路（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)壓器拓撲結構采用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換之間平滑切換，無需更改步驟或模式。在停機期間，輸出完全關閉，不提供電流。

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

圖2.典型的 DC-DC 升壓轉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 （Q2）。

線圈L1和L2（圖1）應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電流的一半（I峰= 100mV/R1 = 1.22A），因此每個都可以相應地額定值。

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，假設上限為16.5V。

三節(jié)電池至 3.3V

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

低壓差、降壓轉換器

低壓邏輯（例如由3.3V供電的邏輯）現在支持使用4節(jié)電池輸入進行簡單的降壓配置，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。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的中間電流負載。該 IC 驅動一個低閾值 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導通電阻應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在輸出調節(jié)丟失的水平）通常應被視為正常工作的一部分，而不是故障。也就是說，為了延長運行時間，建議允許穩(wěn)壓器在不關閉的情況下脫離監(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。由于內部調整元件是MOSFET而不是雙極晶體管，因此在輕負載時，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.內部MOSFET調整管和高功率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)負載不大于100μA的小型便攜式器件尤其重要。在此類設計中，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。

從低電池數電池中升壓

在早期設計中，電池的電池數量很高——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）產生系統(tǒng)電壓。然而，最新一代的電壓轉換IC可以減少電池數量，同時增加最少數量的外部元件。通常，這種額外的成本被較少的電池數量的好處所抵消：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%，即使兩種電池拓撲在尺寸和重量上相當。

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 的高開關頻率允許使用非常小的電感器。在輕負載或零負載時，IC的靜態(tài)電流僅為60μA，這對于電源電壓在產品關閉時必須保持有效的便攜式產品來說是一個有吸引力的特性。當產品進入這種空閑或掛起模式時，負載電流降至微安，并且不得由進入穩(wěn)壓器IC的電流主導。對于真正關斷的設備，IC提供非常低電流的關斷模式，其電流消耗小于1μA。

單節(jié)穩(wěn)壓器

當尺寸至關重要時，使用 1 節(jié)電池供電是有意義的?，F在，當輸入低于1V時，可以實現合理的效率和成本，因此許多手持式應用已成為1節(jié)電池工作的新候選者。低成本IC的開關頻率現在接近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，在虛線內增加Q1和Q2，允許穩(wěn)壓器從較低的輸入電壓和較高的負載電流開始。Q1還會在關斷期間斷開負載和電池的連接。片內比較器不允許Q1再次導通，直到V。外已上升到至少 3V。 圖6b顯示了該電路的負載啟動能力和極低的典型啟動電壓（0.8V）。

圖6.低功耗CMOS升壓轉換器（MAX856） （a）從3節(jié)電池和3節(jié)電池輸入產生1.2V電壓?？蛇x的負載斷開電路（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 或可調升壓 （2.5V 至 5.5V），并能夠提供高達 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處于高功率脈寬調制（PWM）模式。

無電感轉換器轉換適合狹小空間

盡管基于電感的開關穩(wěn)壓器取得了進步，但大多數設計人員認為理想的轉換器電路是沒有電感的電路。基于電容器的替代方案（電荷泵轉換器）過去因缺乏調節(jié)和有限的輸出電流而受到阻礙。雖然與開關穩(wěn)壓器相比仍然很低，但它們的輸出電流現在足以滿足許多設計的需求。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”產品中特別有用。

圖8、圖9和圖10示出了三個無電感電壓轉換器。在圖8中，兩節(jié)電池或其他低壓電源的輸出轉換為穩(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，該器件還可產生一個小的負輸出。

圖8中的可選二極管電容網絡產生-1.4V至-3V的未穩(wěn)壓負電壓。該輸出用作負電源，允許使用廉價的運算放大器，從而簡化了模擬設計。負電源軌確保此類運算放大器能夠完全擺動至地。

另一個電荷泵電路內置在不到 0.1in2 的電路板面積中，可將 5V 轉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，在緊湊型便攜式應用中很受歡迎，因為它在狹小的空間內提供大量的非易失性存儲，并且因為它只需要電源進行讀寫操作。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進行編程。

圖9.對于閃存編程，該電路（MAX662A）產生穩(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用是優(yōu)化蜂窩和其他語音/數據無線收發(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，并且需要很小的負偏置電壓。典型電荷泵為此應用產生過多噪聲，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)壓輸出設置為-4.1V。（您可以使用兩個外部電阻器設置其他輸出電平。穩(wěn)壓和低噪聲通過輸出線性穩(wěn)壓器實現，而圖8和圖9的電路則通過對電荷泵的開關動作進行選通進行調節(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.

間歇性大電流負載

許多手持式無線設計的第二個要求是對負載的突然變化做出快速響應。電源可能在大多數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提供高幅度電流。GSM蜂窩電話或其他采用時分多址（TDMA）技術的數字無線系統(tǒng)中的RF發(fā)射器要求特別高。

對于蜂窩手機，尺寸和重量最小的理想電池組合是三個鎳鎘電池。此應用成本最低的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負載與DC-DC轉換器隔離開來。雖然4 x 470μF在手持設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)負載。平均負載僅為 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，屏幕尺寸和成本。偏置電壓可以是正電壓，也可以是負電壓，最高可達±30V。例如，圖12中的升壓轉換器產生20V至30V的輸出范圍，可通過數字控制或外部電位計（電位器）進行調整。該電路的高開關頻率和可調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面板產生偏置（對比度）電壓，可通過電位計或4位DAC進行數字調節(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將產生低輸出電壓，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提供更多柵極驅動來提高效率。這反過來又降低了其導通電阻。但是，如果電池電壓超過5V，則V +應直接連接到電池。V外如圖所示，可通過 4 位、3.3V CMOS 數字代碼或可選電位器進行調整。

多種電源電壓

許多便攜式設計需要多個電源電壓。即使IC制造商增加了可由標準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。幸運的是，使用多輸出IC最大限度地減少了產生這些電壓所需的元件數量。這些IC最大限度地減少了電路板面積和所需的“膠水”元件數量，同時提高了系統(tǒng)的低負載效率和其他性能參數。

MAX1748/MAX8726三路輸出DC-DC轉換器采用扁平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輸入電源電壓轉換為三個獨立的輸出電壓：一個大功率DC-DC轉換器（高達13V輸出）和兩個低功耗電荷泵獨立調節(jié)一個正輸出（高達+40V）和一個負輸出（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+）電池產生<>路獨立輸出。

簡單的電池充電

對于小型手持產品，空間不足和預算有限通常無法采用復雜的電池監(jiān)控和充電方案。在這些情況下，目標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)省成本的多化學反應電池充電器系統(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成分（Li+、NiMH 或 NiCd 電池）進行充電。

在最簡單的應用中，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品提供了巨大的電源機會，其中許多是電池供電的。USB的廣泛普及為電池充電設計帶來了獨特的機遇和挑戰(zhàn)。幸運的是，許多充電器都可以輕松簡化USB設計。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、電流檢測電路、PMOS 調整元件和熱調節(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