最佳化電池供電系統的電力轉換效率

作者：ADI 應用工程師 Frederik Dostal

問題

電池供電系統是否需要電源管理系統？

回答:

是的，大多數電池供電系統都需要建置電池充電功能。在本文中，我們介紹不同的電源管理功能如何針對電池運行系統進行設計與優化。另外還介紹一個範例系統結構圖，內含電池運行電子產品所需的許多功能。接著本文還會討論電源轉換效率的不同概念。

介紹

許多系統都需要電池電力。電池可作為電線供電的冗餘電源，大多數是用在可攜式裝置中，可能是大到電動車或小到助聽器。在電池供電系統中，電力效率非常重要。電源供應器的效率越低，就會需要使用更大與更貴的電池才能達到相同的運行時間。此外，電池會視不同的充電狀態供應不同的電壓。這方面需要特別電力轉換功能，把來自電池的電壓調節至穩定的電壓後再提供給系統的電子元件。現今大多數電池供電系統都採用可充式電池，而不是原始的不可充電池。因此系統中需要裝入電池充電元件。本文闡述各種電池充電架構及一些創新範例，當然，電力轉換效率是不可或缺的要素。

圖1顯示以電池電力運行的系統簡圖。雖然不同使用情境中實際建置方式可能不同，但通常在所有系統中都會有圖中所示的主要功能模塊，當中會有供電電壓為系統供應電力。這方面的連結通常必須是可切換。倘若電源是市電交流電的電源轉換器，拔掉低電壓電源線的動作，就如同圖1中電源開關切換至關斷位置。我們需要這樣的電力路徑管理機制來避免寶貴的電池電力流向其他連至電源的線路。另外在圖1中，還會看到一個潛在的第二電源。電源切換模塊會將電力流從電源1切換至電源2。例如像電源2，其可能是一個5V的USB電源。

接著電源經過轉換，直接為電池充電與/或為系統供電。如果沒有輸入電源，就從電池擷取電力，用一個高效率切換模式電源轉換器為系統供電。

電池供電系統的功率效率

電池充電的程序通常並不會要求達到極高的功率效率。在大多數的電池供電系統中，除了採集能源外，通常會有足夠的電力來為電池充電。舉例來說，當手機連接充電器時，一般人通常不會在意充電過程的實際效率。

然而在採集能源系統方面，充電過程的功率效率就很重要。充電過程中功率效率越高，就可以採用更小的能源採集元件，進而降低系統成本與縮減系統尺寸。

然而，所有電池供電系統也注重電池在放電時的電力轉換效率。放電時電力轉換效率越高，就能用更小容量的電池來達成要求的系統運行時間。

從電池一直到產生負載所需電壓，這個電力轉換階段的效率需要進一步的評估。全負載轉換效率反映了系統在額定負載下能夠運行多久，另外還有許多系統重視的輕負載效率，代表著在極輕負載狀況下的電力轉換效率。舉例來說，以電池供電的煙霧偵測器能在低負載電流下持續偵測煙霧達數年之久，直到偵測到煙霧時便立即發出警報聲。警報聲是以高電流驅動，但這個階段的電力效率根本無關緊要，因為事後必然會更換電池。

對於極低電力負載效率，靜態電流 I_Q 相當重要。這裡的靜態電流越低越好。靜態電流與切換機制決定了低負載效率。圖2顯示典型效率圖，並標示出有和沒有輕負載效率模式的兩種狀況。輕負載效率模式是藍線，固定切換頻率模式則是黑色虛線。許多電力轉換電路都有這種模式來提高輕負載效率。典型的工作方式是停止固定的切換頻率，並且僅在輸出電壓微幅下降時才產生一些切換脈衝。在產生這些脈衝訊號的時段，電力轉換器會關閉許多功能以節省電力。這些低功耗模式在不同IC上會因為實際架構的不同以致運行方式有所差異，然而此類特殊模式的結果，都是在輕負載下達到極高的效率。

如圖2所示，在1毫安培輸出負載下，效率差距相當大。在1毫安培(甚至低到100 微安培負載)輕負載下啟動省電模式，我們會看到50%的電力轉換效率。在600 kHz固定切換頻率下，沒有啟動省電模式，只能得到約15%的效率。

電源轉換面臨的挑戰

如前所述，在電池供電系統中，電力轉換效率非常重要。所有現有類型的拓撲，都可能被選來用在電池供電系統上。然而，其中一種經常採用的拓撲就是四開關降壓-升壓轉換器。許多需要3.3V電源電壓的系統只會用一個鋰電池進行供電。這類電池提供3.6V的額定電壓，但在放電狀態只會提供2.8V至3.0V的電壓。在系統長時間運行方面，我們需要盡可能從電池擷取能源。在3.3V系統中，此狀況促使我們在鋰電池完全充電時將電壓從3.6V降壓至3.3V。然而當電池在放電快結束的階段，就必須將2.8V升壓至3.3V，這方面就需要降壓-升壓電路。目前有許多不同種類的降壓-升壓電路。適合的拓撲包括變壓器式返馳、兩電感單端初級電感轉換器(SEPIC)、以及四開關降壓-升壓。四開關降壓-升壓經常被選用，因為其通常提供高過其他兩種拓撲的電力轉換效率。

圖3顯示 4開關降壓-升壓拓撲的概念

另外，我們有可能完全避免採用降壓-升壓拓撲，就是採用兩個串聯的鋰離子電池，而不是只用一個。那麼只需要用一個簡單的降壓級電力轉換器。不過此種作法需要為第二個電池額外投入作業與成本。此外，相對於只為一個電池充電，為兩個電池充電的挑戰性會略高一些。當我們用串聯方式使用兩個電池，兩個串聯電池的電壓最大值就是7.2V。這裡採用的電力轉換器必須採用支援更高電壓的半導體製程，超越典型5.5V最高電壓製程做出的元件。雖然這不成問題，但可能會讓直流對直流電力轉換器的半導體成本略為上升。

選擇對的電池充電元件

市面上有許多電池充電IC。電池充電元件會在能為電池安全充電的狀態下提供電壓與電流。在挑選晶片時，第一個決定是選用線性充電元件或開關式充電元件。線性充電元件很像線性穩壓器，但只會調降可用的電壓。輸入電流會接近輸出電流。

舉例來說，如果一個已耗盡電力的電池其電壓為0.8V，而可用的系統電壓為3.3V，那麼線性充電IC必須將電壓調降至2.5V。如果充電電流為1A，線性充電IC會讓2.5W的電力以熱量的形式散失。有種可能的狀況，有一個12V的系統電壓。這裡散失的電力達到11.2W。某些應用除了有低充電電流，而系統電壓也接近電池電壓，那麼線性充電IC會是合理的選擇。

對於所有其他應用，建議採用開關式充電IC。市售大多數電池充電IC屬於開關模式電池充電元件。其是典型的開關模式電源供應(SMPS)元件，具備多種特殊功能來執行電池充電。其能以固定電壓或固定電流進行充電，有時甚至是以固定電壓電流進行充電，另外其還提供許多特殊功能以維持充電安全，包括連結的電池若有瑕疵可能會以計時器來進行偵測，或者可能以溫度感測器來限制電池在充電時的溫度，以避免在不同狀況下出現熱失控(thermal runaway)。其中一項越來越受歡迎的功能，是電池組與充電器之間的安全檢查，這種功能會監測連接到系統的電池是否經過授權。

圖4顯示一個獨立式SMPS電池充電解決方案。此款 MAX77985元件建置了SMPS電池充電以及電力通道切換器。在大多數應用中，電力通道切換器非常重要。其可以切斷從電池接來的輸入電壓軌，可電池充滿電後，能防範電力從任何電路散失，進而可能連到輸入電力線路的狀況。另外，這款解決方案還擁有數位式 I²C 介面，能變更充電器IC的某些設定以及進行遙測。為盡可能讓電池充電器具有彈性，可透過數位介面設定不同的電池種類與電池容量。

在眾多功能中，其中一項特別值得一提。MAX77985內的整合式電源開關不只能用於充電電池時的降壓模式，還能把電池電壓升壓至更高的系統電壓。此款電池充電器透過一種方式結合系統電力轉換器與純正的電池充電器。

電池供電裝置需要許多不同的電氣功能。某些產品僅提供基本功能，其他產品則高度整合IC中大多數功能。此類產品名為系統電源管理積體電路(PMIC)，在電池供電應用特別受歡迎。背後有多方面的原因。其中一項原因是許多電池供電系統體積很小，因此需要精小的系統解決方案。第二個原因是每個獨立IC都有一些靜態電流 ; 在IC開啟或關斷時總會消耗一些電力，長久以往就會耗盡電池的電力。將許多不同的IC整合成一個PMIC元件，就能在大多數情境中減少系統的靜態電流。

高容量鋰電池在過去20年改變了電池供電系統的局面。市面上有許多IC能以高效率為這些電池充電與放電。現今各界針對未來電池結構進行大量研究，努力提高單位重量與容積的儲電容量以及充電速度，同時維持運行的安全性。在跟上這些電池發展上，電池充電與放電IC的創新路途目前還遠遠看不到終點。