電源管理技術(shù)及其在移動通信端的應(yīng)用原理

電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設(shè)備至關(guān)重要。通過降低組件閑置時的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱做電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，航空，國防，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

電源管理的特點是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及兩個不同方面的內(nèi)容：一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率，同時還希望減小設(shè)備的尺寸;另一方面是保護尺寸不變，大幅度提高效能。

在交流/直流(AC/DC)變換中，低的通態(tài)電阻，符合計算機和電信應(yīng)用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設(shè)計方面，一般待機能耗已經(jīng)降到1W 以下，并可將電源效率提高至90%以上。要進一步降低現(xiàn)有待機能耗，則需要有新的IC制造工藝技術(shù)及在低功耗電路設(shè)計方面的突破。

越來越多的系統(tǒng)會需要多輸出穩(wěn)壓器。例如帶多輸出和電源通路控制的鋰離子充電電池，多輸出 DC/DC轉(zhuǎn)換器和具有動態(tài)可調(diào)輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器等。

上世紀80年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術(shù)未來發(fā)展的方向，是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時代。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。正是因為這么多的集成電路(IC)進入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。

電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。它對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算化、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。

上世紀40年代晶體管問世，隨后不到十年，晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世，從而揭開了電源技術(shù)長足發(fā)展序幕。半個世紀以來，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。

高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流

電源技術(shù)的精髓是電能變換。利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適合各種用電對象的二次電源。開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達兆赫茲的高頻開關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進了電源技術(shù)的發(fā)展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，提高功率密度，加快系統(tǒng)的功態(tài)響應(yīng)，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進入更廣泛的領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進一步擴展了它的應(yīng)用范圍。

新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)

單管降壓、升壓電路、諧振變換、移相諧振、軟開關(guān)PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論;計算機輔助設(shè)計(CAD)、功率因數(shù)校正、有源箍位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、 遙感遙控、微機監(jiān)控等新技術(shù)，指導(dǎo)廠電源技術(shù)的發(fā)展。

新器件、新材料的支撐

晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超快恢復(fù)二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備廠現(xiàn)代電源技術(shù)、促進電源產(chǎn)品升級換代。并正在研究開發(fā)砷化鎵(GaAs)、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料。

控制的智能化

控制電路、驅(qū)動電路、保護電路采用集成組件。數(shù)字信號處理器DSP的采用，實現(xiàn)控制全數(shù)字化。控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高電源裝置的可靠性。

電源電路的模塊化、集成化

單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術(shù)簡化了電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體制――分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。電路集成的進一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成，將信息傳輸、控制與功率半導(dǎo)體器件全部集成在一起，增加了可靠性。

電源設(shè)備的標準規(guī)范

電源設(shè)備要進入市場，今天的市場已是超越局域融費全球的一體化市場，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準則，電源設(shè)備要接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等多種標準規(guī)范的論證。

電源管理

電源技術(shù)的發(fā)展是以晶閘管 (可控硅)的發(fā)展作為基礎(chǔ)的。1979年發(fā)明了功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，1986年生產(chǎn)了高壓集成電路(HVTC)，也就是最早的電源集成電路(電源IC)。正是因為電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時代。

電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來說，明確強調(diào)電源管理集成電路(電源管理IC，簡稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導(dǎo)體包括兩部分，即電源管理集成電路和電源管理分立式半導(dǎo)體器件。

電源管理集成電路包括很多種類別，大致又分成電壓調(diào)整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器(即LOD)，以及正、負輸出系列電路，此外不有脈寬調(diào)制(PWM)型的開關(guān)型電路等。因技術(shù)進步，集成電路芯片內(nèi)數(shù)字電路的物理尺寸越來越小，因而工作電源向低電壓發(fā)展，一系列新型電壓調(diào)整器應(yīng)運而生。電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動器、馬達驅(qū)動器、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)驅(qū)動器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動器等等。

電源管理分立式半導(dǎo)體器件則包括一些傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件，可將它分為兩大類，一類包含整流器和晶閘管;另一類是三極管型，包含功率雙極性晶體管，含有MOS結(jié)構(gòu)的功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。

在某種程度上來說，正是因為電源管理IC的大量發(fā)展，功率半導(dǎo)體才改稱為電源管理半導(dǎo)體。也正是因為這么多的集成電路 (IC)進入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。

電源管理IC分類

電源管理半導(dǎo)體本中的主導(dǎo)部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。

1、AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開關(guān)晶體管。

2、 DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器，以及電荷泵。

3、功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制 IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。

4、脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器，用于驅(qū)動外部開關(guān)。

5、線性調(diào)制IC(如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等)。包括正向和負向調(diào)節(jié)器，以及低壓降LDO調(diào)制管。

6、電池充電和管理IC。包括電池充電、保護及電量顯示IC，以及可進行電池數(shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC。

7、 熱插板控制IC(免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響)。

8、MOSFET或IGBT的驅(qū)動 IC。

在這些電源管理IC中，電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應(yīng)用相聯(lián)系，所以針對不同應(yīng)用，還可以列出更多類型的器件。

電源管理IC應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品(手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、MP3播放器、移動硬盤等)、數(shù)字消費類電子產(chǎn)品(高清晰度電視機、LCD電視機和面板、DVD播放機)、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子。其中消費類電子產(chǎn)品是電源管理芯片的最大應(yīng)用領(lǐng)域。

所有這些應(yīng)用和產(chǎn)品都需要相應(yīng)的電源管理技術(shù)才能充分發(fā)揮它們的功能。IC方案需要解決產(chǎn)品差異化，電源管理效率，產(chǎn)品尺寸極小型化以及產(chǎn)品功能多樣化。

在應(yīng)用驅(qū)動和技術(shù)進步的作用下，對電源IC的技術(shù)要求也不斷走高。而且隨著應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，電源IC的市場也呈現(xiàn)出需求多樣化，應(yīng)用細分化，更多高性能電源IC的市場需求也不斷深化以及擴展化，更好地為滿足系統(tǒng)創(chuàng)新，性能提升而服務(wù)。

數(shù)字電源為電源設(shè)計領(lǐng)域注入了新的活力，同時也對電源管理IC廠商提出了更高的要求。電源IC廠商需要和主芯片廠商進行有效地技術(shù)溝通，因為只有了解系統(tǒng)芯片的需求，電源IC的目標設(shè)計規(guī)格才顯得更有意義，這種為系統(tǒng)性能需求而定制的電源設(shè)計最終能為系統(tǒng)的功耗優(yōu)化做出巨大的貢獻。

受SoC化設(shè)計趨勢的影響，近年來電源管理IC技術(shù)表現(xiàn)出越來越強的模塊化趨勢。一方面，設(shè)備正變得越來越復(fù)雜，更多功能特性、更快更復(fù)雜處理器需要更先進的電源管理解決方案另一方面，模塊化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)約電路板空間，提高系統(tǒng)的長期可靠性，同時也能有效降低系統(tǒng)成本，帶來的好處是顯而易見的。

鋰離子電源管理的設(shè)計主要是針對鋰離子電池的特性來進行的。鋰離子電池的安全性能及供電性能主要體現(xiàn)在其充放電參數(shù)的控制上。圖1為鋰電池電源管理原理圖。該圖由控制芯片和外圍電路組成。接下來，我們就圖1從鋰電池放電、充電兩個方面來探討如何實現(xiàn)鋰電池的管理。

放電工作原理

電池過放可能會給電池帶來災(zāi)難性的后果，特別是大電流過放或反復(fù)過放，對電池的影響更大。一般而言，過放電會使電池內(nèi)壓升高，正負極活性物質(zhì)的可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復(fù)，容量會有明顯衰減。鋰離子電源管理電路的功能之一就是為了保護鋰電池不至于過放。

鋰電池的正常工作電壓為2.575～4.2V。當電池電壓在此范圍內(nèi)，管理電路將MOSFET管S4打開，在電池(CELL)電壓與BATT+之間建立低阻通道，有利于電流從電池流向手機負載。在此情況下，過放就體現(xiàn)為輸出電流過大。在整個輸出過程中，電源管理電路不斷地檢測從電池輸出到負載的電流。當電池輸出電流超過通常的保護值3.5A的時候，手機短路保護電路開始工作，關(guān)閉S4，切斷電池與BATT+的連接。

當電池持續(xù)放電到電池電壓低于文獻[1]規(guī)定的放電終止電壓2.375V以下時，則屬于電壓過放。此時，圖1中的手機低電壓及短路保護電路開始工作，同電流過放一樣，關(guān)閉S4，切斷電池與BATT+的連接達到保護鋰電池的目的。

充電工作原理

充電管理電路在對鋰電池進行充電時，更是一個復(fù)雜的過程，既要保證鋰電池能夠充滿，又要保證鋰電池的性能，最重要的是要保證鋰電池不能過充。如果鋰電池在充電過程中充電電流過大，或充電時間過長，產(chǎn)生的氧氣來不及被消耗，就可能造成內(nèi)壓升高，電池變形，漏液等不良現(xiàn)象。同時，其電性能也會顯著降低。

整個充電電路應(yīng)該具有以下幾種充電模式：

1、低電壓預(yù)充電模式;

2、全速充電模式;

3、涓流充電模式;

4、頂端截止、脈沖充電模式;

5、充電截止模式。

當電池電壓低于3.0V時，電源管理電路進入低電壓預(yù)充電模式。當電池極度過放時，為了防止過量的充電電流對電池性能造成損傷，充電電路應(yīng)該采取漸進的充電方式。

對于一塊極度過放的，電壓已低于0.7V的鋰電池，電源管理電路將提供預(yù)充電涓流給電池。此時S1關(guān)閉，充電器通過R1提供電流給管腳Vdect，充電器提供電流的大小完全由R1決定，整個充電器幾乎工作在無負載情況下。這種充電模式甚至可以對電壓已經(jīng)為0V的電池進行充電;當電池電壓高于0.7V低于1.98V時，外部S1及S2工作，電源管理電路可以以更高的電流對電池進行充電。但是，此時三極管S1的功耗檢測電路還沒有工作，必須限制其功耗低于800mW，以免燒毀S1;當電池電壓高于1.98V低于3.0V時，整個電源管理電路都正常工作，此時S1的控制電路使S1以較高的電流，但遠低于全速充電電流對電池進行充電，該電流一般超過100mA。

當電池電壓高于3.0V時，預(yù)充電模式結(jié)束，進入全速充電模式。此時，電源管理電路將S1及S2打開，并使S1工作在飽和模式，充電器提供全速充電電流給電池充電。但是，電源管理電路將限制最大充電電流小于1.5A。

這種充電模式對充電器也有一定的要求，要求其實現(xiàn)限流輸出。這樣做的目的是便于移動通信終端廠商，在產(chǎn)品設(shè)計時可以根據(jù)產(chǎn)品的定義，選擇不同的充電電流，實現(xiàn)對具體鋰電池快速有效的充電。在典型應(yīng)用中，一般要求充電器提供的輸出電流限制在1A以內(nèi)，具體的電流可以根據(jù)所用鋰電池廠商推薦使用的充電電流，以便電池能夠具有一個較高的循環(huán)壽命。

該充電模式其實也是一種恒壓充電模式，當電池表面達到控制電路設(shè)定的終止充電電壓Vterm時，即進入該種充電模式。由于在全速充電模式下，電流比較大，電池表面電壓與實際電池芯的電壓有比較大的落差，涓流充電模式就是用來減小甚至消除該落差。此時，電源管理電路通過控制S1的開閉情況，將提供給電池的最大電流限制在100多mA。由于電池被充得越來越足，因此，涓流就越來越小，直到截止。

當電源管理電路處于涓流充電模式時，它會周期性地跳轉(zhuǎn)到全速充電模式，形成脈沖電流對電池進行充電。大電流脈沖寬度一般<100μs，這樣有利于電池更快被充滿。

電源管理電路會有一個控制引腳，由手機的CPU決定什么時候停止充電。進入這種模式，一般會有這樣幾種情況：手機檢測到充電電路包括鋰電池溫度過高;不是原裝的鋰電池;已經(jīng)進入涓流充電，不需要充電時間過長;充電器設(shè)計不合理等等。

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