電源管理技術及其在移動通信端的應用原理

電源管理是指如何將電源有效分配給系統的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設備至關重要。通過降低組件閑置時的能耗，優秀的電源管理系統能夠將電池壽命延長兩倍或三倍。電源管理技術也稱做電源控制技術，它屬于電力電子技術的范疇，是集電力變換，現代電子，網絡組建，自動控制等多學科于一體的邊緣交叉技術，現今已經廣泛應用到工業，能源，交通，信息，航空，國防，教育，文化等諸多領域。

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容：一方面想要保持能量轉換的綜合效率，同時還希望減小設備的尺寸;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，低的通態電阻，符合計算機和電信應用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設計方面，一般待機能耗已經降到1W 以下，并可將電源效率提高至90%以上。要進一步降低現有待機能耗，則需要有新的IC制造工藝技術及在低功耗電路設計方面的突破。

越來越多的系統會需要多輸出穩壓器。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轉換器和具有動態可調輸出電壓的開關穩壓器等。

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未來發展的方向，是解決電力電子技術發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體器件中的主導器件，把電源技術推向了電源管理的新時代。電源管理集成電路分成電壓調整器和接口電路兩方面。正是因為這么多的集成電路(IC)進入電源領域，人們才更多地以電源管理來稱呼現階段的電源技術。

電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展，電源技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。它對現代通訊、電子儀器、計算化、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵的作用。

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上問世，從而揭開了電源技術長足發展序幕。半個世紀以來，電源技術的發展不斷創新。

高頻變換是電源技術發展的主流

電源技術的精髓是電能變換。利用電能變換技術，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。開關電源在電源技術中占有重要地位，從20kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達兆赫茲的高頻開關電源，為高頻變換提供了物質基礎，促進了電源技術的發展。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，加快系統的功態響應，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環境噪聲污染，并使電源進入更廣泛的領域，特別是高新技術領域，進一步擴展了它的應用范圍。

新理論、新技術的指導

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

新器件、新材料的支撐

晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場效應晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應晶體管(SIT)、超快恢復二極管、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，裝備廠現代電源技術、促進電源產品升級換代。并正在研究開發砷化鎵(GaAs)、半導體金剛石、碳化硅(SiC)半導體材料。

控制的智能化

控制電路、驅動電路、保護電路采用集成組件。數字信號處理器DSP的采用，實現控制全數字化。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，功率集成技術簡化了電源的結構，已經在通訊、電力獲得廣泛應用，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展是做系統集成，將信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起，增加了可靠性。

電源設備的標準規范

電源設備要進入市場，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、環境、電磁兼容、貿易協定等共同準則，電源設備要接受安全、 EMC、環境、質量體系等多種標準規范的論證。

電源管理

電源技術的發展是以晶閘管 (可控硅)的發展作為基礎的。 1979年發明了功率場效應晶體管 (MOSFET)，1986年生產了高壓集成電路(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體器件中的主導器件，把電源技術推向了電源管理的新時代。

電源管理半導體從所包含的器件來說，明確強調電源管理集成電路(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，大致又分成電壓調整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩壓器(即LOD)，以及正、負輸出系列電路，此外不有脈寬調制(PWM)型的開關型電路等。因技術進步，集成電路芯片內數字電路的物理尺寸越來越小，因而工作電源向低電壓發展，一系列新型電壓調整器應運而生。電源管理用接口電路主要有接口驅動器、馬達驅動器、功率場效應晶體管(MOSFET)驅動器以及高電壓/大電流的顯示驅動器等等。

電源管理分立式半導體器件則包括一些傳統的功率半導體器件，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結構的功率場效應晶體管(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的大量發展，功率半導體才改稱為電源管理半導體。也正是因為這么多的集成電路 (IC)進入電源領域，人們才更多地以電源管理來稱呼現階段的電源技術。

電源管理IC分類

電源管理半導體本中的主導部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。

1、AC/DC調制IC。內含低電壓控制電路及高壓開關晶體管。

2、 DC/DC調制IC。包括升壓/降壓調節器，以及電荷泵。

3、功率因數控制PFC預調制 IC。提供具有功率因數校正功能的電源輸入電路。

4、脈沖調制或脈幅調制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調制和/或脈沖寬度調制控制器，用于驅動外部開關。

5、線性調制IC(如線性低壓降穩壓器LDO等)。包括正向和負向調節器，以及低壓降LDO調制管。

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

7、 熱插板控制IC(免除從工作系統中插入或拔除另一接口的影響)。

8、MOSFET或IGBT的驅動 IC。

在這些電源管理IC中，電壓調節IC是發展最快、產量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關的應用相聯系，所以針對不同應用，還可以列出更多類型的器件。

電源管理IC應用在便攜式產品(手機、數碼相機、筆記本電腦、MP3播放器、移動硬盤等)、數字消費類電子產品(高清晰度電視機、LCD電視機和面板、DVD播放機)、計算機、通信網絡設備、工業設備和汽車電子。其中消費類電子產品是電源管理芯片的最大應用領域。

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

在應用驅動和技術進步的作用下，對電源IC的技術要求也不斷走高。而且隨著應用的不斷創新，電源IC的市場也呈現出需求多樣化，應用細分化，更多高性能電源IC的市場需求也不斷深化以及擴展化，更好地為滿足系統創新，性能提升而服務。

數字電源為電源設計領域注入了新的活力，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溝通，因為只有了解系統芯片的需求，電源IC的目標設計規格才顯得更有意義，這種為系統性能需求而定制的電源設計最終能為系統的功耗優化做出巨大的貢獻。

受SoC化設計趨勢的影響，近年來電源管理IC技術表現出越來越強的模塊化趨勢。一方面，設備正變得越來越復雜，更多功能特性、更快更復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可有效降低系統設計的復雜性，節約電路板空間，提高系統的長期可靠性，同時也能有效降低系統成本，帶來的好處是顯而易見的。

鋰離子電源管理的設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在其充放電參數的控制上。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難性的后果，特別是大電流過放或反復過放，對電池的影響更大。一般而言，過放電會使電池內壓升高，正負極活性物質的可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復，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，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，關閉S4，切斷電池與BATT+的連接。

當電池持續放電到電池電壓低于文獻[1]規定的放電終止電壓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，產生的氧氣來不及被消耗，就可能造成內壓升高，電池變形，漏液等不良現象。同時，其電性能也會顯著降低。

整個充電電路應該具有以下幾種充電模式：

1、低電壓預充電模式;

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充電涓流給電池。此時S1關閉，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，預充電模式結束，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，要求其實現限流輸出。這樣做的目的是便于移動通信終端廠商，在產品設計時可以根據產品的定義，選擇不同的充電電流，實現對具體鋰電池快速有效的充電。在典型應用中，一般要求充電器提供的輸出電流限制在1A以內，具體的電流可以根據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;已經進入涓流充電，不需要充電時間過長;充電器設計不合理等等。