虽然锂离子电池和其他广泛应用的技术极大地提高了电池能量密度，并使这类产品成为可能，但与旧式电池相比，它们需要更多的维护才能最大限度地延长充电间隔和产品寿命。仅仅将电源连接到电池端子，并在内部电压达到足够水平后断开电源是不够的。.
电池技术挑战：
锂离子电池尤其容易受到过充等因素的影响。过充不仅会损坏电池单元，还可能造成危险。过充会增加电池单元内部的压力，并可能导致热失控，进而引发电池起火。因此，市面上所有的充电控制器都集成了过充保护功能。
要保持电池的高续航时间和最大充电量，需要对整个充电过程进行高度控制。Maxim Integrated 设计的 MAX77960B 和 MAX77961B 就是便携式系统中实现这一目标的两个范例。这类器件分三个阶段对电池进行充电：预充电、恒流充电和恒压充电。预充电阶段用于为完全充电做好准备，这对于防止电池几乎完全放电时造成损坏至关重要。该过程首先会施加一个较小的电流。充电器通过测量和安全定时器来验证该阶段是否成功完成，如果未成功，则会向主微控制器报告错误。.
另外两种充电模式需要做出妥协。恒流充电速度最快，但由于电流较高，容易导致电池过热，因此存在损坏电池的风险。这就是为什么电池充电控制器会配备温度传感器输入，以便在电池过热时限制充电功率。通常情况下，当电池接近充满时，充电控制器会切换到恒压模式。这种模式可以防止电池过热并延长电池寿命，但会显著降低充电速度。.
改进的充电控制还带来了其他优势。它不仅可以优化电池本身的尺寸和重量，还可以优化电源电路的整体尺寸和重量。一些充电控制器集成度很高。例如，恩智浦半导体的MC34674是一款完全集成的单节锂离子和锂聚合物电池充电器，专为旅行应用而优化，仅需一个外部LED指示充电状态、两个去耦电容和一个用于检测电池温度的热敏电阻电路。.
电源的充电器和电压转换：
对于用于调节电源并为系统中各种具有特定电压和电流要求的设备供电的DC/DC转换器而言，同样需要高集成度和尽可能少的无源元件。即使是相对较小的便携式设备，也需要大量的电源轨，从数字系统级芯片 (SoC) 的1V到模拟I/O的12V或更高，这使得紧凑型解决方案更具价值。通过减少外部无源元件的使用并降低转换损耗，充电器和稳压器电路可以做得更小，并且无需在功率晶体管上使用笨重的散热器，从而实现紧凑高效的系统设计。MAX77960B和MAX77961B通过同时充当降压转换器和充电器来帮助提高密度：当电池供电电压高于所需的输出电压时，它们可以为便携式系统供电。
无论采用可充电电池还是不可充电电池，电池电压都会随着放电而降低。如果电压低于转换器的工作范围，电池中剩余的电量将被浪费，导致电池续航时间比预期短。使用具有升降压功能的直流/直流转换器可以提取尽可能多的电量。
图 1. 放电电流特性：该图显示了电池放电过程中输出电压随时间的变化。 来源： https
支持低功耗关机模式对于物联网 (IoT) 设备至关重要，例如环境传感器和用于监测健康状况的可穿戴设备。这些设备会长时间处于睡眠状态，并在短暂唤醒后立即返回睡眠模式。由于占空比如此之短，整个系统（包括电源管理电路）的低静态电流至关重要。例如，Maxim 开发的 MAX710ESE+ 升降压转换器允许线性稳压器子系统在这些睡眠模式下专用，从而限制电流消耗并防止长时间不活动期间电池电量耗尽。.
电池监控与管理：
在许多应用中，了解剩余电量和监控电池组中每个电芯的电流同样重要。对于汽车系统而言，这两项要素的结合至关重要，因为如果电量估算不准确，或者由于部分电芯过度放电导致电压不平衡，驾驶员肯定不希望在远离充电桩的情况下发生意外。在所有系统中，准确的电量估算有助于优化充电时间和容量管理。目前，一些系统利用这些测量数据，通过比较当前电量和预期使用量来减缓充电速度，从而延长电池寿命。在许多情况下，市面上已有专门的电池管理和监控产品可供选择。
瑞萨电子的 ISL94202 专为包含最多八节电芯的电池组而设计，无需监控微控制器即可实现电池组的自主控制。该器件可自动管理电池组内的电芯平衡，并具有多种保护功能，可防止过流和其他问题。另一个例子是英飞凌科技的 TLE9012AQU，它执行四项主要功能：测量电芯电压、测量温度、平衡电芯以及与中央电池控制器进行隔离通信。这些功能的组合使该器件非常适合需要并联多个电池组的大型汽车和通信系统。为了确保电芯状态测量的准确性，该器件采用 16 位分辨率的模数转换器 (A/D 转换器) 对每个电芯进行监控。.
现代车辆设计可能包含多个不同的电池子系统，为车辆的各个部件供电，从动力传动系统到信息娱乐系统。许多制造商目前计划取消用于辅助电路的低压电池，转而使用高压传输电池为车内设备供电。这不仅需要针对最大限度降低功耗而优化的DC/DC转换器，还需要能够处理复杂电源拓扑结构的电池管理系统。恩智浦半导体（NXP）的电池管理和支持集成电路系列，例如MC33771C，旨在满足各种需求。这些器件支持隔离式菊花链通信，可将信息传输到中央微控制器，并能同步测量各个电池组的电流。.
另一方面，为了支持物联网 (IoT) 传感器的日益普及，能量采集正成为一种重要的补充便携式和电池供电设备可用电量的方法。能量采集使安全传感器和其他低功耗设备无需更换电池或连接电网即可运行多年。.
一种常见的配置是将一次性电池（例如锂纽扣电池）与可充电设备（例如超级电容器或小型锂离子电池）组合在一起。能量收集技术并非总能高效地提供电荷，而且能量源通常工作在高阻抗状态。因此，必须精心设计电路以最大限度地减少损耗。Maxim 的 MAX20361 为设计人员提供了一种集成解决方案，能够从太阳能电池中获取能量并为下游电路提供有效的电荷。该集成升压转换器可在低至 225 mV 的输入电压下工作。.
集成
到系统中变得尽可能简单。像 Farnell 这样的分销商提供的经验丰富的工程师设计支持，确保团队能够获得关于每种应用应使用哪些器件的最佳建议。
作者：Cliff Ortmeyer， Farnell全球技术营销主管
