小型便携式系统的能源管理

本应用笔记介绍了采用四节和三节电池系统的便携式应用的电源管理方案。图中显示了升压/降压转换器、线性稳压器、电压转换器、电荷泵和无电感稳压器的最佳设计和用途。提供多款Maxim电源管理器件。

许多不同和相互冲突的限制给小型手持产品的设计人员带来了负担。除了对尺寸和重量的常规限制外，这些限制还包括成本限制，严格的时间表，以周而不是小时为单位的电池寿命目标，以及主机（有时）因电源管理需求而负担过重。

由于手持式应用的电源要求随产品用途而有很大差异，因此这些应用没有单一的“最佳”电源。间歇性使用的设备更关注空载静态电流而不是满载效率，并且可以使用碱性电池令人满意地运行。然而，手机必须应对高峰值负载和频繁使用。这种工作模式强调转换效率而不是静态电流，因此手机最好使用可充电电池。

在手持式产品设计中，尺寸限制通常会决定在过程早期的电池数量。这对电气工程师来说是令人沮丧的，也是一个很大的限制，因为允许的电池数量（和类型）决定了工作电压范围。这反过来又会强烈影响电源的成本和复杂性。高电池数允许使用线性稳压器和简单电路，但代价是额外的重量和有限的效率。电池数量少迫使使用更昂贵的开关稳压器，但电池的低成本可能证明这种费用是合理的。

具有四个单元的设计

具有四个单节电池的设计通常在重量和使用寿命之间提供有吸引力的折衷方案。这个数字在碱性电池中特别受欢迎，因为它们通常以四的倍数出售。然而，用于5V电路的四节电池供电带来了设计挑战。当电池放电时，稳压器必须首先降压，然后再升压。此要求排除了使用更简单的单功能稳压器拓扑，这些拓扑只能降压、升压或反相。

这个问题的一个有效解决方案是单端初级电感转换器（SEPIC），其中V外电容耦合到开关电路（图 1）。没有变压器是这种配置相对于反激式变压器稳压器和组合升压/线性稳压器的几个优点之一。

图1.该稳压器拓扑结构采用MAX1771升压控制器。它为 5V 至 3V 的输入提供 8V。操作在升压和降压转换之间平滑切换，无需更改步骤或模式。在停机期间，输出完全关闭，不提供电流。

升压设计（在升压设计中，除非添加截止开关，否则电流会从电池中耗尽，参见图2），这是对升压设计的另一项改进，SEPIC输出完全关闭以响应关断命令。作为 V在正常工作时跌落，SEPIC电路平稳调节V外无需将其工作模式更改为 V外方法五在.其功率转换效率峰值为 86%，接近 200mA（图 1）。

图2.典型的 DC-DC 升压转换器提供从输入到输出的电流路径，即使在断电时也是如此。要中断此路径，必须添加断开开关 （Q2）。

线圈L1和L2（图1）应为相同类型并具有相同的值，但它们之间不需要耦合。为了方便起见，它们可以缠绕在同一磁芯上，但如果它们完全分开，电路的效果也同样好。每个线圈仅通过峰值开关电流的一半（I峰= 100mV/R1 = 1.22A），因此每个都可以相应地额定值。

电容C2将能量耦合到输出，需要低有效串联电阻（ESR）来处理高纹波电流。例如，低 ESR SANYO® OS-CON 电容器的效率比较便宜的 3μF 陶瓷电容器高 1%。不建议使用钽电容器，因为高 ESR 会导致它们在高纹波电流下自热。

二极管D2通过捕获Q1漏极处的开关脉冲，为IC（引脚2）提供电源电压。虽然该电压（大约是VIN和VOUT的总和）将最大VIN限制在8V，但它提高了满载下的启动能力，并通过提升外部MOSFET的栅极驱动来提高低VIN效率。如果VIN不低于4V，则可以用3V阈值FET代替Q1，省略D2。在这种情况下，引脚2直接连接到VIN码，假设上限为16.5V。

三节电池至 3.3V

对于3节电池设计，MAX8625A高效升压/降压稳压器集成功率MOSFET，提供3.3V和高达0.8A的输出能力。该器件具有真关断™功能，可在IC禁用时断开输出与输入的连接。电路与四个内部MOSFET（两个开关和两个同步整流器）和内部补偿相结合，最大限度地减少了外部元件。

低压差、降压转换器

低压逻辑（例如由3.3V供电的逻辑）现在支持使用4节电池输入进行简单的降压配置，从而优化效率和成本。对于3.3V输出，关键规格是压差，即VIN和VOUT之间的最小允许差值。电池的“报废”电压因电池类型和产品的使用模式而异，但对于除锂电池外的所有电池，它都在每节电池 0.8V 至 1V 的范围内。因此，3.3V稳压器在低至3.6V的输入电压下工作的情况并不少见。

可以从四节电池提供3.3V的中间电流负载。该 IC 驱动一个低阈值 p 沟道 MOSFET，并利用一个 110mV 的低电流检测电压将电流检测损耗降至最低。为了获得最佳性能，MOSFET导通电阻应与电路的最低工作电压（在本例中约为3.6V）一起指定。

线性稳压器

对于许多降压应用（根本没有稳压器），成本最低的方法是线性稳压，前提是其效率和电池寿命限制是可以接受的，并且在较高V时的功耗。在是可管理的。

对于便携式设计，即使是简单的线性稳压器也会带来一些挑战。例如，压差（低V在输出调节丢失的水平）通常应被视为正常工作的一部分，而不是故障。也就是说，为了延长运行时间，建议允许稳压器在不关闭的情况下脱离监管。稳压器在压差期间的行为（尤其是其静态电流）在这些设计中非常重要。

图5所示的简单线性稳压器具有出色的压差特性，对工作电流影响很小。它本质上是一个 8 引脚表面贴装封装，可提供超过 400mA 的电流。由于内部调整元件是MOSFET而不是双极晶体管，因此在轻负载时，电路的压差几乎为零。此外，其静态电流不会像V那样上升在方法五外.

图5.内部MOSFET调整管和高功率SO-8封装的组合提供了一个低压差、604μA工作电流和超过15mA输出能力的线性稳压器（MAX400）。

最后一个特性对于稳态负载不大于100μA的小型便携式器件尤其重要。在此类设计中，毫安或更高的静态电流上升（典型的是具有双极性调整晶体管的低压差稳压器）在电池最无法承受的时间加速电池放电：接近尾声。通常，图5中的IC无论在压差还是压差外，都会消耗15μA的工作电流。

从低电池数电池中升压

在早期设计中，电池的电池数量很高——不是为了提供更多的能量，而是为了允许使用低成本线性稳压器（甚至根本没有稳压器）产生系统电压。然而，最新一代的电压转换IC可以减少电池数量，同时增加最少数量的外部元件。通常，这种额外的成本被较少的电池数量的好处所抵消：更小的尺寸，更轻的重量，以及（有时）更长的电池寿命。为了说明这一点，两个AA电池的4.5Whr可用能量比3芯6V碱性电池中的9Whr高出50%，即使两种电池拓扑在尺寸和重量上相当。

图6a的升压稳压器为88节电池和2节电池输入提供了1%的高效率;其 500kHz 的高开关频率允许使用非常小的电感器。在轻负载或零负载时，IC的静态电流仅为60μA，这对于电源电压在产品关闭时必须保持有效的便携式产品来说是一个有吸引力的特性。当产品进入这种空闲或挂起模式时，负载电流降至微安，并且不得由进入稳压器IC的电流主导。对于真正关断的设备，IC提供非常低电流的关断模式，其电流消耗小于1μA。

单节稳压器

当尺寸至关重要时，使用 1 节电池供电是有意义的。现在，当输入低于1V时，可以实现合理的效率和成本，因此许多手持式应用已成为1节电池工作的新候选者。低成本IC的开关频率现在接近1MHz，允许使用来自多个来源的小型磁性元件。因此，DC-DC电路占用的空间比它所取代的电池少并不罕见。

在图6a中，在虚线内增加Q1和Q2，允许稳压器从较低的输入电压和较高的负载电流开始。Q1还会在关断期间断开负载和电池的连接。片内比较器不允许Q1再次导通，直到V。外已上升到至少 3V。 图6b显示了该电路的负载启动能力和极低的典型启动电压（0.8V）。

图6.低功耗CMOS升压转换器（MAX856） （a）从3节电池和3节电池输入产生1.2V电压。可选的负载断开电路（虚线）使电路能够以低至 0.8V （b） 的输入启动。

图7还显示了一款高功率、高效率升压稳压器，其工作电压低至0.7V （一旦启动），启动电压为0.9V。输出可固定为 5V 或可调升压 （2.5V 至 5.5V），并能够提供高达 1.5A 的电流。

MAX1703采用16引脚窄体SO封装，包括一个非专用比较器，产生电源就绪或低电池电量警告输出。

图7.MAX1703处于高功率脉宽调制（PWM）模式。

无电感转换器转换适合狭小空间

尽管基于电感的开关稳压器取得了进步，但大多数设计人员认为理想的转换器电路是没有电感的电路。基于电容器的替代方案（电荷泵转换器）过去因缺乏调节和有限的输出电流而受到阻碍。虽然与开关稳压器相比仍然很低，但它们的输出电流现在足以满足许多设计的需求。在某些情况下，电荷泵的优势是引人注目的：低成本、小尺寸和更低的电磁干扰（EMI）。电荷泵在个人计算机存储卡国际协会（PCMCIA）系统和其他组件高度有限的“信用卡”产品中特别有用。

图8、图9和图10示出了三个无电感电压转换器。在图8中，两节电池或其他低压电源的输出转换为稳定的2V ±5%。IC随输入电压改变其工作模式，在低V时产生三倍频器在，高V时的倍增器在，以及中频三倍频器，可在每个开关周期改变模式。效率范围从85%到65%。低电源电流（空载工作条件下典型值为 75μA，停机模式时典型值为 1μA）使该电路可用作 DRAM 或伪静态 RAM （PSRAM） 的纽扣电池供电备用电源。

图8.通过几个外部电容，MAX619将2节或3节电池输入升压至5V，提供50mA （3V输入），静态电流仅为75μA。通过采用 SOT23 封装的附加双二极管和两个电容器，该器件还可产生一个小的负输出。

图8中的可选二极管电容网络产生-1.4V至-3V的未稳压负电压。该输出用作负电源，允许使用廉价的运算放大器，从而简化了模拟设计。负电源轨确保此类运算放大器能够完全摆动至地。

另一个电荷泵电路内置在不到 0.1in² 的电路板面积中，可将 5V 转换为闪存芯片编程所需的 12V 电平（图 9）。闪存在PCMCIA卡中很常见，在紧凑型便携式应用中很受欢迎，因为它在狭小的空间内提供大量的非易失性存储，并且因为它只需要电源进行读写操作。一些闪存IC工作在5V，但具有最高存储器密度的闪存IC需要12V进行编程。

图9.对于闪存编程，该电路（MAX662A）产生稳定的12V/30mA编程电压，无需电感。它足够小，可以放入信用卡大小的智能卡中。

受益于电荷泵使用的第三个应用是优化蜂窝和其他语音/数据无线收发器中的RF发射器效率。这些收发器的“通话时间”通过使用基于砷化镓FET（GaAsFET）的功率放大器来延长，该功率放大器比基于双极晶体管的功率放大器更有效。

虽然效率更高，但GaAsFET成本更高，并且需要很小的负偏置电压。典型电荷泵为此应用产生过多噪声，但图10芯片中的输出电压稳压器将输出噪声和纹波保持在1mV。P-P.将FB端子接地可将稳压输出设置为-4.1V。（您可以使用两个外部电阻器设置其他输出电平。稳压和低噪声通过输出线性稳压器实现，而图8和图9的电路则通过对电荷泵的开关动作进行选通进行调节。

图 10.该电荷泵电压反相器（MAX850）用于偏置高效GaAsFET RF功率放大器，包括一个超静音线性稳压器，可将输出纹波和噪声限制在1mV以下P-P.

间歇性大电流负载

许多手持式无线设计的第二个要求是对负载的突然变化做出快速响应。电源可能在大多数情况下以毫安级空闲，但为了处理短距离的RF传输或CPU活动的突发，它还必须在短间隔内提供高幅度电流。GSM蜂窝电话或其他采用时分多址（TDMA）技术的数字无线系统中的RF发射器要求特别高。

对于蜂窝手机，尺寸和重量最小的理想电池组合是三个镍镉电池。此应用成本最低的RF发送器工作在6V或接近2V。您可能会期望能够在 6V 下提供 5W 功率的开关稳压器的成本迫使使用 600 节电池。但是，在10%占空比下，高电流仅消耗<>μs左右，因此一个小的升压IC可以为负载供电。

在图11中，储能电容同时为TDMA逻辑和RF电路供电。该电容器的平均电流为 200mA，但在 1.5A 时，其输出压降在 500μs 后小于 577mV。一个1Ω电阻（R1）将RF负载与DC-DC转换器隔离开来。虽然4 x 470μF在手持设备中肯定是很大的缓冲电容，但四个表面贴装电容比两个额外的电池单元小得多，也便宜得多。该电路的平均功率转换效率为80%，静态电源电流仅为60μA。

图 11.该电路采用MAX757升压转换器，包括一个大容性储能器，为GSM蜂窝电话提供1.5A瞬态负载。平均负载仅为 200mA，因此 8 引脚表面贴装升压稳压器 IC 无需外部 MOSFET。

液晶偏置电源

便携式设备中LCD面板的偏置要求涵盖了广泛的电压和电流范围，具体取决于显示器的技术，屏幕尺寸和成本。偏置电压可以是正电压，也可以是负电压，最高可达±30V。例如，图12中的升压转换器产生20V至30V的输出范围，可通过数字控制或外部电位计（电位器）进行调整。该电路的高开关频率和可调电感电流限值允许使用小型表面贴装电感器和输出滤波电容器。例如，对于低于10mA的负载，所示的村田制作所LQH4线圈高度仅为2.6mm。

图 12.该电路为LCD面板产生偏置（对比度）电压，可通过电位计或4位DAC进行数字调节。

请注意，电位器的配置不是任意的（参见图12中的可选电路）。在FB和接地之间连接电位器（而不是FB和V）外）确保开路或嘈杂的电位游标将产生低输出电压，而不是最大（可能具有破坏性）输出。此外，将电位器及其游标接地可最大限度地减少FB处的走线区域;如果交换 R8 和 R9，则 V外噪音可能会增加。

在 2 节或 3 节电池应用中，您可以通过将 IC 偏置 5V（如果可用）而不是电池电压来优化效率。电感器仍从电池吸收电流，但芯片V+引脚上的更高电压通过向Q1提供更多栅极驱动来提高效率。这反过来又降低了其导通电阻。但是，如果电池电压超过5V，则V +应直接连接到电池。V外如图所示，可通过 4 位、3.3V CMOS 数字代码或可选电位器进行调整。

多种电源电压

许多便携式设计需要多个电源电压。即使IC制造商增加了可由标准3.3V和5V电平供电的功能列表，优化性能、重量、电池寿命和成本的需求仍然证明增加电压是合理的。幸运的是，使用多输出IC最大限度地减少了产生这些电压所需的元件数量。这些IC最大限度地减少了电路板面积和所需的“胶水”元件数量，同时提高了系统的低负载效率和其他性能参数。

MAX1748/MAX8726三路输出DC-DC转换器采用扁平TSSOP封装，提供有源矩阵、薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）所需的稳压。这些器件将2.7V至5V输入电源电压转换为三个独立的输出电压：一个大功率DC-DC转换器（高达13V输出）和两个低功耗电荷泵独立调节一个正输出（高达+40V）和一个负输出（低至-40V）。

图 13.MAX1748/MAX8726从3节碱性电池或1节单节锂离子（Li+）电池产生<>路独立输出。

简单的电池充电

对于小型手持产品，空间不足和预算有限通常无法采用复杂的电池监控和充电方案。在这些情况下，目标是通过使用集成的独立充电器来挤压最大性能。

MAX846A是一款节省成本的多化学反应电池充电器系统，采用节省空间的16引脚QSOP。该集成系统允许使用单个电路对不同的电池化学成分（Li+、NiMH 或 NiCd 电池）进行充电。

在最简单的应用中，MAX846A为独立的限流浮动电压源（图14），可为Li+电池充电。它还可以与低成本微控制器 （μC） 配对，构建能够为 Li+、NiMH 和 NiCd 电池充电的通用充电器。

图 14.MAX846A独立Li+充电器

USB为所有类型的低功耗电子产品提供了巨大的电源机会，其中许多是电池供电的。USB的广泛普及为电池充电设计带来了独特的机遇和挑战。幸运的是，许多充电器都可以轻松简化USB设计。例如，MAX8856（图15）是一款完整的1节Li+电池充电管理IC，可通过USB端口或AC适配器工作。该器件集成了电池断接开关、电流检测电路、PMOS 调整元件和热调节电路，同时省去了外部反向阻断肖特基二极管。这创造了一个简单而小巧的充电解决方案。

对于双交流适配器和USB电源输入，可以使用MAX8903系列（图16）。

图 15.单Li+电池独立应用。

图 16.单Li+电池充电器，带双交流适配器和USB电源输入。

审核编辑：郭婷