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電池是便攜式電子設備的核心，提供為內部電路供電所需的電能。由于電池的作用如此關(guān)鍵，因此有必要對當前便攜式電子設備中的各種電池化學(xué)成分以及其中幾種成分的特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。目前，便攜式電子設備中的電池化學(xué)成分主要有四種類(lèi)型，分別是堿性、鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）和鋰離子（Li-Ion）。 堿性電池基于鋅與二氧化錳之間的反應。典型的堿性電池在充滿(mǎn)電時(shí)可產(chǎn)生約1.5V的電壓。電池的電壓將隨著(zhù)電能的消耗而降低，當電能消耗90%時(shí)電壓約為0.9V。堿性電池的容量相對較大，但內阻也高，因此對于漏電流較大的應用（例如照相機閃光燈、遙控汽車(chē)和電動(dòng)工具），此類(lèi)電池的效率非常低。 鎳鎘電池仍被用于高電流應用。這種電池非常耐用，而且成本低。鎳鎘電池的標稱(chēng)電壓為1.2V，在電池壽命結束時(shí)電壓將降至0.9V。由于其能量密度相對較低，并且存在有毒金屬，因此越來(lái)越多的應用不再使用鎳鎘電池。鎳鎘電池的另外一個(gè)缺點(diǎn)是需要定期完全放電。這用來(lái)防止電池板上形成大塊晶體，因為這種晶體會(huì )影響電池的壽命和性能。 鎳氫電池比鎳鎘電池更為普及，因為鎳氫電池更加環(huán)保，并且能量密度高出約40%。鎳氫電池的標稱(chēng)電壓約為1.25V，在電池壽命結束時(shí)電壓將低于1.0V。但是，鎳氫電池不如鎳鎘電池耐用，在大負載和極端溫度下工作時(shí)，電池壽命會(huì )縮短。鎳氫電池還有相當高的自放電速率。 鋰離子電池已成為主導，大多數便攜式消費類(lèi)電子設備均采用這種電池化學(xué)成分。單節鋰離子電池充滿(mǎn)電時(shí)的開(kāi)路電壓約為3.6V，當電量完全耗盡時(shí)電壓將降至約2.7V。這種電池化學(xué)成分具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括重量輕、電壓高以及可塑性強（對于鋰聚合物電池）。此外，鋰離子/鋰聚合物電池的能量密度還在不斷增大（當前大約是標準鎳鎘電池的二倍），而成本在不斷降低。鋰離子電池的缺點(diǎn)是過(guò)充有可能會(huì )導致爆炸。出于安全考慮，一些制造商在對尺寸和重量要求不是特別嚴格的應用中仍采用鎳氫電池。 《電子設計技術(shù)》網(wǎng)站版權所有，謝絕轉載 便攜式電子設備的不斷涌現迫使系統設計人員越來(lái)越關(guān)注于電源管理電路的設計，他們需要了解各種直流-直流轉換器的架構，才能使設計的整體性能最優(yōu)化。轉換器的拓撲有多種類(lèi)型，包括線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)式穩壓器和電荷泵。 線(xiàn)性穩壓器使用電壓控制的電流源來(lái)產(chǎn)生給定的輸出電壓。線(xiàn)性穩壓器分為幾種不同類(lèi)型，但對于電池供電的應用，最常用的是低壓差穩壓器（LDO）。此類(lèi)線(xiàn)性穩壓器使用P溝道傳輸晶體管作為具有反饋的可變電阻，以調整輸出電壓。 在開(kāi)關(guān)式穩壓器的最基本形式中，使用二極管、電感和開(kāi)關(guān)來(lái)傳輸輸入端的能量以提供給定輸出。開(kāi)關(guān)式穩壓器可配置為多種不同的拓撲，包括降壓、升壓以及降壓/升壓。降壓開(kāi)關(guān)式穩壓器提供的穩壓輸出電壓低于輸入電壓，與LDO的功能類(lèi)似。升壓開(kāi)關(guān)式穩壓器提供的輸出電壓高于輸入電壓。LDO無(wú)法實(shí)現此功能。最后，降壓/升壓拓撲可為一定范圍內高于和/或低于輸出電壓的輸入電壓提供穩壓輸出。 電荷泵使用電容作為儲能器件。開(kāi)關(guān)將電容的極板連接到輸入電壓，使其能對輸入電壓進(jìn)行雙倍、三倍、反相或二等分處理，甚至產(chǎn)生任意的穩壓輸出電壓，具體則取決于電路拓撲。由于電荷泵對電容進(jìn)行充電和放電來(lái)傳遞能量，因此與上文所述的其他轉換器相比，此類(lèi)轉換器可提供的輸出電流總量相對較低：通常不會(huì )超過(guò)幾百毫安。 上文討論的全部三種直流-直流轉換器均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表1所示�？筛鶕唧w應用以及最重要的參數選擇合適的拓撲。如果優(yōu)先考慮延長(cháng)電池壽命，則高效的開(kāi)關(guān)式穩壓器可能是最佳解決方案。如果噪聲是一大問(wèn)題，則線(xiàn)性穩壓器是不錯的選擇。無(wú)論是哪種應用，要實(shí)現所需的系統性能，都必須關(guān)注于電源管理電路。 《電子設計技術(shù)》網(wǎng)站版權所有，謝絕轉載 目前有一些技術(shù)可通過(guò)直流/直流轉換來(lái)延長(cháng)電池的運行時(shí)間。圖1所示的電路中突出顯示了輸入和輸出電容相對于直流/直流轉換器的放置。開(kāi)關(guān)式穩壓器在斷開(kāi)和閉合輸入開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì )在輸入引腳上產(chǎn)生浪涌電流。采用一個(gè)大輸入電容可提供電荷“緩沖器”，從而最大程度地降低電荷注入。那么，最大程度地降低輸入紋波會(huì )對電池運行時(shí)間有哪些影響？根據電池化學(xué)成分的不同，內阻的影響可能很顯著(zhù)，此時(shí)電池的脈沖電流會(huì )導致電池中產(chǎn)生很大壓降。在電池和轉換器之間放置一個(gè)較大的輸入電容，可降低瞬時(shí)電流消耗以及電池上產(chǎn)生的壓降。通過(guò)盡可能地減少這些壓降，可在達到最低電池電壓之前延長(cháng)電池的運行時(shí)間。 現在，我們來(lái)看一下輸出電容。對于長(cháng)時(shí)間處于待機或休眠模式的低功耗應用，可能不需要穩壓器一直運行。在這種情況下，可使用較大的輸出電容來(lái)提供負載所需的低電流，從而使應用更加節能。這樣可根據需要開(kāi)啟和關(guān)閉穩壓器來(lái)“增加”電容電荷。 另一種常用于最大化電池運行時(shí)間的技術(shù)是動(dòng)態(tài)電壓調節。數字負載（如單片機）需要的電流較低，因此在低電壓下工作時(shí)功耗也較低。但是，當單片機在低電壓下工作時(shí)，其性能在處理速度和輸出能力方面會(huì )受到限制。動(dòng)態(tài)電壓調節的理念是：當單片機處于待機或休眠模式時(shí)，使其運行在較低電壓下（從而降低功耗）；當需要單片機處理或傳輸信息時(shí)，則將電壓升高。 此技術(shù)已廣泛應用于計算應用，并可用于許多其他電池供電的應用（其中單片機具有多種工作狀態(tài)）。 一些應用必須“始終工作”，例如一氧化碳檢測器必須對每個(gè)微粒進(jìn)行分析。但是，許多應用不需要連續工作，而是可以保持在待機或休眠狀態(tài)，需要時(shí)才喚醒。這些類(lèi)型的應用示例包括智能水表（通常狀態(tài)只是等待水流過(guò)）、遙控以及基于照片的煙霧探測器（可定期檢測室內是否有煙霧，而不是連續工作）。 數字器件的功耗有資料記載可以預先了解。比如，單片機有多種工作模式，并且可以開(kāi)啟和關(guān)閉內部外設，以節省更多功耗。喚醒單片機以及從休眠模式轉換到工作模式的過(guò)程也都有詳細記載，有時(shí)你會(huì )發(fā)現使單片機處于工作狀態(tài)可能比在兩種模式之間轉換更節能。重申一下，所關(guān)注的參數均有記載，通常設計人員可以預先了解。 但是，在模擬方面，這些要關(guān)注的參數就不是那么明確了。對于連續工作的系統，選擇工作電流最低且滿(mǎn)足其他設計要求的模擬IC仍然是關(guān)鍵。對于不連續工作的系統，選擇低電流模擬IC似乎仍然是延長(cháng)電池運行時(shí)間的最佳解決方案。然而，除了所需電流外，還必須考慮器件的穩定時(shí)間。在許多情況下，選擇電流更高但速度更快的器件從長(cháng)遠來(lái)看可能更節能。 《電子設計技術(shù)》網(wǎng)站版權所有，謝絕轉載 |
