许多系统依靠电池供电，从大型电动汽车到小型助听器，无论是应对停电时的备用电源需求，还是为移动设备提供动力。在这些电池供电系统中，电源效率至关重要。电源效率低意味着需要更大容量的电池来维持相同的运行时间，从而带来更高的成本。此外，电池根据充电状态提供不同的电压，因此需要专用电源转换器将电池提供的可变电压调整为系统电子设备所需的稳定电压。如今，许多电池供电系统使用可充电电池，而不是一次性电池，这意味着该系统必须包含电池充电器。本文将讨论各种电池充电架构和一些创新的新用例，并强调电源转换效率的重要性。

图1显示了电池供电系统的系统示意图。虽然具体的实现方案因应用场景而异，但一般来说，所有系统都包含所示的主要功能模块。系统通过某种电源电压供电，通常需要可切换连接。例如，如果电源是壁式交流电源转换器，拔下低压电源线，将电源开关切换到断开位置，效果相同。这种电源路径管理非常重要，旨在防止连接到电源的额外电路消耗宝贵的电池电量。此外，图1还显示了一个潜在的第二电源。通过电源开关模块，可以在电源1和电源2之间切换电源流。例如，电源2可能是USB 5V电源。

然后，转换后，电源安全地为可用电池充电，或直接为系统提供电源。在没有可用输入电源的情况下，高效的开关模式电源转换器将利用存储在电池中的能量为系统供电。

电池供电系统的电源效率

电池充电通常不需要很高的电源效率，但在能源收集系统中，充电过程中的电源效率非常重要。高效的充电过程可以降低能源收集器的尺寸，从而降低系统成本和系统尺寸。

然而，所有电池供电系统在放电时都会注意电池的电源转换效率。在相同的运行时间下，电源转换效率越高，所需的电池容量就越小。

对于电池供电系统中的电源转换级，从电池产生负载所需电压的效率至关重要。满载转换效率和轻载效率需要评估。满载转换效率决定了系统在标称负载下的运行时间，而轻载效率在负载很小的情况下起作用。例如，电池供电的烟雾探测器可以在低负荷电流的烟雾探测阶段连续运行多年，直到检测到烟雾并发出报警。报警从高电流开始，但现阶段的电源效率与需要更换电池的时间点关系不大。

当负载功耗很低时，静态电流IQ与效率有关。静态电流越低越好。这种静态电流与开关方案一起决定了低负载效率。图2显示了使用和不使用轻载效率模式的典型效率曲线。轻负荷效率模式为蓝色曲线，固定开关频率模式为黑色虚线曲线。通过这种模式，许多电源转换电路可以提高轻载效率。通常，其工作模式是停止使用恒定开关的频率，只有当输出电压略有下降时，才会产生几个开关脉冲。在这些突发脉冲之间，电源转换器关闭了许多功能，以节省功耗。由于IC的不同，这些低功耗模式在具体架构上可能略有不同，但这种特殊模式在轻负载下总能达到很高的效率。

如图2所示，1 MA输出负载下的效率差异相当大。1 ma的轻负载(甚至低至100 μ在A负载下激活省电模式时，电源转换效率为50%。600个不激活省电模式 在kHz固定开关的频率下，效率只有15%左右。

电源转换挑战

四开关降压-升压拓扑在电池供电系统中具有显著优势。由于电池放电状态的不断变化，需要一个能够有效转换电压的拓扑结构。四开关降压-升压拓扑可以在不同的电池状态下实现高效的电压转换。

在图3中，我们可以看到四开关降压-升压拓扑的基本结构。它包括输入电源、输出负载、电感器和开关Q1、一个开关Q2、开关Q3和开关Q4。当电池充满电时，开关Q1和开关Q4处于导通状态，开关Q2和开关Q3处于断开状态。这降低了输入电源的电压，并通过电感器传输到输出负载。

当电池放电接近尾声时，开关Q1和开关Q4断开，开关Q2和开关Q3断开。这使得电感器中的能量传输到输出负载，并将电压升至所需的3.3 V。

四开关降压-升压拓扑通过合理的控制策略和精确的电路设计，FPGA，半导体芯片，国产FPGA，FPGA替代，FPGA平台可以实现高效的电压转换。与其他拓扑相比，四开关降压-升压拓扑具有更高的电源转换效率，从而延长了电池供电系统的运行时间。

此外，四开关降压升压拓扑还具有易于实现、成本效益高、可靠性高等优点。因此，在电池供电系统中，四开关降压升压拓扑已成为一种常见的选择。

采用两个串联锂离子电池而非单一电池，可完全避免使用升压-降压拓扑。在这种情况下，只需要一个简单的降压级电源变换器。然而，为了使用第二个电池，我们需要额外的努力和成本。另外，给两个电池充电比单个电池更具挑战性。当两个电池串联使用时，最大电压达到7.2 V。电源转换器必须采用更高电压的半导体工艺，而不是典型的最大5.5 V工艺。尽管这并非不可解决的问题，但DC-DC电源转换器的半导体成本可能略高。

选择合适的电池充电器

市场上有许多电池充电器IC可供选择。电池充电器是为电池充电提供电压和电流的安全装置。在选择集成电路时，首先要确定是使用线性充电器还是开关充电器。线性充电器类似于线性稳压器，只能降低可用电压，使输入电流大致等于输出电流。

例如，如果电池的电压降至0.8 V，而且系统的可用电压为3.3 V，必须将电压降至2.5 V。若充电电流为1 A，线性充电器为2.5 以W功率的形式消耗能量。这在某些情况下是可行的，但如果系统电压为12 V，功耗将高达11.2 W。因此，线性充电器是充电电流低、系统电压接近电池电压的合理选择。

对于所有其他应用，建议使用开关充电器。市场上大多数电池充电器IC都采用开关模式电池充电器。这些都是经典的开关电源(SMPS)该装置具有支持电池充电的特殊功能。它们可采用恒压或恒流充电，有时甚至两者兼而有之，并提供特殊功能，确保充电安全。这些功能可能包括定时器，用于检测连接的电池是否有缺陷，或者包含温度传感器来限制充电过程中的电池温度，以避免热失控。此外，一个流行的功能是检查电池组和电池充电器之间的安全性，以及监控系统连接的电池是否已经授权。

图4显示了MAX77985的独立SMPS电池充电器解决方案。该解决方案可实现降压SMPS电池充电器和电源路径开关功能。电源路径开关是大多数应用中不可或缺的功能。一旦电池充满电，开关将切断输入电压轨与电池之间的连接，以防止电池电量通过可能连接到输入电源线的电路消耗。此外，该解决方案还配备了数字I2C接口，可以改变充电器IC的某些设置，用于遥测目的。数字接口支持设置不同的电池类型和电池大小，以使电池充电器更加灵活。

在众多特点中，MAX77985内置集成电源开关不仅可以在降压模式下给电池充电，还可以将电池电压升高到更高的系统电压。在某种程度上，该电池充电器集成了系统电源转换器和传统电池充电器的功能。

电池供电设备需要具备多种电气功能。有些产品只提供基本功能，而另一些产品则在集成电路中高度集成大部分功能。这类产品被称为系统电源管理集成电路(PMIC)，在电池供电的应用中备受青睐。它受欢迎的原因有很多。首先，由于许多电池供电系统相当小，需要紧凑的系统解决方案。其次，每个独立的集成电路都会产生一定的静态电流。当IC打开或关闭时，总是会消耗一些功率，最终导致电池功率减少。在许多情况下，将多个不同的集成电路组合成PMIC器件可以降低系统的静态电流。

在过去的20年里，随着高容量锂离子电池的出现，电池供电系统发生了巨大的变化。许多集成电路可以有效地管理这些电池的充放电过程。目前，为了提高单位重量和体积的容量，加快电池充电速度，确保电池的安全，该行业正在大力研究未来的电池结构。随着电池技术的不断发展，电池充放电集成电路的创新也将不断创新。

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