不僅是便攜式娛樂設備和手持產品采用電池供電應用，此類應用在綠色產品中也有用武之地，例如光伏（photoVoltaic,pV）應用和電動車（ElectricalVehicle,EV）等。除了安全性、成本和尺寸外，將電池的運行時間最大化并延長其使用壽命，對于電池供電應用的系統設計來說也是極其重要的。隨著用于驅動便攜式應用的電池技術不斷增多，需要選擇合適的方法來對可充電電池進行放電和充電。本文首先回顧適用于便攜式應用的一般電池策略，然后將討論采用當今集成解決方案的電源管理和電池管理電路設計。

主要的電池技術

電池技術可簡單地分為兩類：不可充電型和可充電型。不可充電電池在使用一次后即廢棄，稱為一次性電池。堿性電池是最常見的家用一次性電池。市面上也有堿性可充電電池，但不在本文的討論范圍內。典型堿性電池具有大約1.5V至1.65V的浮動電壓，標稱電壓為1.2V,壽命結束時的電壓為大約0.9V.單節堿性電池壽命結束時的電壓可低至0.7V-0.8V,具體取決于負載電流。表1展示了一些常見的堿性電池配置。某些應用可采用多種配置，具體取決于產品外形、系統要求、可用解決方案和功耗預算。

例如，某種無線光電鼠標解決方案的工作電壓范圍是1.8V至3.2V.該鼠標使用2節串聯配置的堿性電池便可正常工作，無需附加穩壓電源。如果需要極其緊湊的鼠標設計，則2節AA/AAA堿性電池可能不適用。在這種情況下，可使用單節AA/AAA堿性電池來減少所占空間，但需要用升壓轉換器將電壓升至1.8V。

表1：堿性電池配置的比較

可充電電池被認為是二次電池，每次使用后都可將電量盡可能恢復到原始狀態，直至電池壽命結束。本文將以鋰離子電池（Li-Ion）、鋰聚合物電池（Li-poly）和鎳氫電池（NiMH）為例進行說明。鎳氫電池是很好的堿性電池替代品，因為其外形和工作電壓范圍與堿性電池類似。傳統鎳氫電池的一個缺點是自放電率高（每月約20%,如表2所示），但有一家領先的電池制造商已克服了這一難關，其推出的鎳氫電池系列在生產12個月后仍可保持至少85%的電容量。恢復鎳氫電池的電量有簡單且低成本的解決方案，但采用雙重截止充電方法（通過充電電流和工作環境來指定）的嵌入式充電器將獲得最優性能。雙重截止充電方法結合了溫度隨時間升高和電壓隨時間降低（或不變）的特性。

表2：電池化學性能的比較

鋰離子電池目前被認為是成熟的電池技術，已廣泛應用于移動電話和汽車等領域，因為與十年前相比，其生產成本更低且性能更好。在設計多節電池系統時，單節標稱電壓為3.6V的電池具有巨大優勢，可減少2/3的電池節數。鋰離子電池在質量和體積上的高能量密度使其適用于多種便攜式應用，例如個人媒體播放器或無線藍牙（Bluetooth）耳機。但是，需要提供保護電路，以將鋰離子電池可能導致的危險（例如過充或過熱）降至最低限度。鋰離子電池的使用壽命相對較長（可充電500-1,000次），如果每天都對電池充電，在至12年后才需要更換。設計合理的鋰離子電池電源管理系統將延長電池使用壽命，并提高整個系統的可靠性。

電池供電應用中的集成電路

除了系統的主芯片組（如果含有的話）外，現代電池系統設計通常至少含有以下集成電路（integratedcircuit,IC）中的一種：

1.電源管理單元（powerManagementUnit,pMU）

2.單片機單元（MicrocontrollerUnit,MCU）

3.電池管理單元（BatteryManagementUnit,BMU）

本部分將討論這些IC以及如何選擇適當拓撲以延長電池運行時間并達到設計目標。

pMU在系統中提供調節后的電壓或電流。某些穩壓功能集成在主芯片組內。但是，由于布線復雜性、EMI問題和性能不足（包括電源輸出通道數不夠或負載能力不足等），仍需要單片式轉換器。單片式電壓轉換器可提供單個或多個輸出。

電池供電應用常用的功率調節拓撲包括但不限于線性穩壓器、開關電容穩壓器和電感開關穩壓器。所有這些拓撲的功能都是一樣的，即在設計的電流范圍內對輸出電壓進行穩壓（如直流-直流轉換器），或在指定的電壓范圍內調節電流（如LED驅動器）。每種拓撲可能都需要單獨一篇文章來進行介紹。本文重點介紹電源管理設計的基礎知識。

在選擇穩壓器時，很容易想到低壓差穩壓器（LowDropoutRegulator,LDO）。LDO的EMI問題最少，并且需要的外部元件數通常也最少。

pOUT=VOUTxIOUT公式1

pIN=VINx（IOUT+IQ）公式2

η=pOUT/pIN=VOUTxIOUT/VINx（IOUT+IQ）公式3

IQ《IOUT時，

η=VOUT/VIN公式4

如果輸出電流遠大于靜態電流（IQ），則可以忽略IQ.對于線性電路，輸入電流等于輸出電流與靜態電流之和。因此，效率可簡化為輸出電壓除以輸入電壓，如公式4所示。在電池供電設計中，IQ非常重要，因為待機時間將決定更換一次性電池的頻率或對二次電池進行充電的頻率。延長待機時間的方法之一是選擇低IQ器件。