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电源管理系统技术概述
延长供电时间

【作者: Edward Brorein】2004年09月03日 星期五

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现今新的移动电话和笔记本电脑所采用的电源管理系统都运用了大量模拟和数字控制功能,其设计方法五花八门,有的是将IC分割成不同的功能区块,有的则是使用单一颗混合信号IC来提供完整系统的功能。对工程师来说,要为新设计挑选及评估可能适用的电源管理系统并不是一件容易的事。依据功能区块的效能来评估候选的产品是一个很好的着手点,特别是模拟功能区块。几乎所有电源管理系统都会有的一个核心功能区块是电池充电器,正确地选择功能齐备又专门的直流系统电源供应器可以大幅简化电源管理系统之电池充电器功能区块的测试工作。


典型电源管理系统的功能区块图

(图一)所示的功能区块图是以电池供电之行动装置的电源管理系统,可以反映出今日行动装置常见的复杂设计。系统中的功能区块本质上通常可以分为数字和模拟两种。


《图一 电源管理系统的功能区块图》
《图一 电源管理系统的功能区块图》

模拟功能区块

电池充电器

可监测电池、充电器输入和主机装置的操作状态,以便视情况所需,从充电器或电池供电给主机装置、对电池进行充电或将主机装置关机。


直流/直流变压器

能以高效率将未经稳压的电池输入电源转换成稳压过的输出电源,适用于电源要求较高的应用,例如供电给显示器的背光电源,或是DSP或微处理器的核心电源。


低压降稳压器(LDO)

很多LDO都可以提供可程控的电源给主机装置的各个子单元使用,就移动电话而言,可能会有多达12个LDO来单独提供基频DSP、铃声和振动器、音频放大器、显示器的背光模块、RF功率放大器以及发射器和接收器电路等各个部份所需的电源。


音频放大器(audio amplifier)

大部分的装置都会使用一或两个音频放大器,这自然也是电源管理系统要管理的一部份。新的class-D切换式放大器具有耗电量低的特性,因此使用得愈来愈普遍。


电池充电器的功能区块详述

尽管电源管理系统的设计各有不同,但电池充电器区块的功能却有极高的共通性。许多充电器都可以辨认出所安装的电池类型,如镍镉(Ni-Cad)、镍氢(Ni-MH)或锂离子(Li-Ion),然后再针对其化学特性使用合适的充电方式。(图二)是一个电池充电器区块及相关组件的范例。


《图二 电池充电器系统的范例》
《图二 电池充电器系统的范例》

启动、维持和终止电池充电动作的基本参数包括电池的电压、稳压状况和温度、变压器的电压以及充电电流,且因电源与散热上的限制,通常也要将主机装置的操作状态栏入考虑。充电器区块内的控制电路会考虑这些因素,然后提供外部控制信号来调整充电的动作,并将充电的状态回报给主机装置。


电池充电的过程

当电池达到充电的条件时,典型的充电过程会依序经过三个阶段:


测试电池的状况

充电之前通常会先检查电池的状况,一种做法是将一小段电流脉冲加到电池中,同时量测所产生的电压反应,从电压反应就可以确定电池的状况、阻抗和类型等细节信息。


选择充电的方式

充电的方式要视电池的类型而定,镍镉和镍氢电池是藉由恒定电流来充电,而锂电池则是先用恒定电流来充电,然后再改用恒定的“浮动”电压来进行。


结束充电

停止充电同样要视电池的类型而定,要终止镍镉和镍氢电池的充电动作需由电压增加的改变来触发,以降低电池的电压和提高电池的温度。相较之下,锂电池只要其所吸汲的充电电流下降,就会触发终止充电的动作。


充电过程的细节如(图三)所示。


《图三 典型的电池充电过程》
《图三 典型的电池充电过程》

电池充电器功能区块的测试需求

测试时会用电源供应器来取代仿真电池和充电器。由于这些电源供应器是可程控的,因此可以经由控制的方式来测试电池充电器的功能区块。就充电器功能区块的运作和充电的过程来看,测试系统会有几项具体而明显的要求。


仿真和替代电池的主要考虑因素如下:


充电和放电

在使用的状态下,电池会供电给主机装置使用,但在充电的状态下,电池则会变成一个负载,要靠充电器强迫电流回流到电池里面来补充电力,此时电池会维持在一个相对稳定的终端电压上。


用来仿真电池充电和放电动作的电源供应器在设计上必须能进行二象限(two-quadrant)的输出操作,不仅要能提供和吸汲电流,同时也要能维持一个稳定的电压。二象限的操作如(图四)所示,不过,大多数电源供应器的设计都只能供应电源而已。


电池输出阻抗与电池稳压反应

电池并非完美的电压源,一般会有数十到数百毫奥姆的串联输出阻抗。输出阻抗是电池稳压测试中,主宰电池输出电压反应的主要因素。


当输出阻抗是充电器的一项特性时,在程序的控制之下进行输出阻抗的仿真有助于验证电池的稳压测试,另外也会需要可以撷取所产生的动态电压反应信号的方法。


充电状态的电压相依性

电池的电压会随着充电位准的改变而改变,这也是确立充电结束和放电终止点的主要参数之一。


精确的输出电压程序设定能力和大约0.2%或更高的读值准确度,对于仿真和验证电池充电状态的电压相依性与测试充电的终止点会有帮助。


电池的温度

一般在电池中会使用一个负温度系数(NTC)的热敏电阻来监测电池的温度,当与充电器区块连接的时候,会产生一个与电池温度成正比的电压。


在测试时,一般可以用一个电压信号来代替阻抗,以仿真电池的温度。


锂电池的浮动电压与充电终止

在锂电池充电的第二个阶段,电压会“漂浮”到与充电器的输出电压相吻合之处,这个电压加上电池的串联阻抗会造成充电电流逐渐减弱,一直到电池被视为充饱电为止。


精确的输出电压程序设定能力加上可程控的串联输出阻抗可用来进行锂电池充电终止的仿真。准确的负(第二象限)电流读回(read back)能力则有助于验证充电的终止点。


关机状态的电池电流吸汲情形

当电池充电系统与主机装置一起关闭的时候,就不应该从电池耗用掉太多的电流。


一般关机状态所吸汲的电流大约在微安培之谱,因此微安培等级的电流量测能力对验证关机状态的电流吸汲情形会很有帮助。


《图四 仿真电池的二象限操作》
《图四 仿真电池的二象限操作》

仿真和替代变压器的主要考虑因素则比较少一点:


变压器输出恒定电压(CV)的限制

任何一款充电器都需要仰赖变压器来提供特定的输出电压位准(在几个百分点内),才能正常地动作。


要取代变压器的电源供应器若能有大约0.2%的电压程序设定准确度的话,将有助于检查充电器在最低和最高变压器电压限制范围的动作状况。


变压器输出恒定电流(CC)的限制

设计上,通常在全力充电的条件下,充电器都需要仰赖变压器来维持恒定的电流输出。


要取代变压器的电源供应器会需要具备良好而基本的恒定电流限制设定能力。


不可少的充电电流读值准确度

电池充电电流读回能力通常是充电器区块不可或缺的功能之一。


电源供应器若能具备准确的电流读回能力,将有助于验证充电器不可少的电流读回能力。


变压器电源关闭或切断

当变压器的电源关闭或切断时,一般在充电器的变压器端口上不应该出现任何的负载。


断路继电器可提供最有效且方便的方法,将替代变压器的电源供应器隔离开来。


《图五 进行充电器功能区块评估测试的系统配置图》
《图五 进行充电器功能区块评估测试的系统配置图》

减轻测试系统复杂度

要建置出(图五)所示的测试系统配置图,方法之一是针对每个区块,使用多款通用型的测试设备,但这种方法在建置和优化上很快就会变成浩大的工程。另一种较好的方法是使用较专门的测试设备,这些额外需要的功能在这种测试设备上都是标准的配备。Agilent 66319B直流电源就是一个这样的例子,它是专为测试时替代和仿真电池而设计的。


对测试要求较少的变压器来说,只要一部能够额外提供输出断路继电器的优良系统直流电源供应器就可以满足其需求。简化过的测试系统配置方式如(图六)所示。


《图六 简化过的测试系统建置方式》
《图六 简化过的测试系统建置方式》

结语

今日的电源管理系统具备前所未有的效能与功能,可延长电池供电装置的操作时间,不过伴随而来的是更多样化的选择和更高的复杂度,使得挑选和评估适合新设计使用的电源管理系统变成了一大挑战。一个很好的着手点是模拟电池充电器的功能区块,它几乎是所有电源管理系统的核心功能,由于其复杂度更高、更聪明,能将电池管理得更好,因此充电器功能区块的测试也需要投入更多的时间和设备。比较好的做法是使用较专门的设备,就电池充电器的功能测试而言,较专门的直流电源供应器可提供齐备的电源供应和量测能力,能大幅简化测试的设定,并空出更多的资源来开发下一个新产品,而不必耗费在测试系统上。(作者任职于安捷伦科技)


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