便攜式產(chǎn)品的電池管理

1、    便攜式產(chǎn)品的電池管理為了方便用戶，新一代便攜式產(chǎn)品中集成了越來越多的功能，例如，無線通信和數(shù)據(jù)處理功能在手機(jī)和PDA中的融合，新一代手機(jī)不僅可以上網(wǎng)、處理郵件，還集成了拍照等功能；PDA廠商則在新推出的PDA中集成了無線通信、GPS等功能。功能的增多勢必導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量的提升，為了滿足更低功耗、更小尺寸的要求，電池管理技術(shù)在便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中成為至關(guān)重要的因素。本文分析了電池供電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的普遍問題。圖1：單片熱插拔器件的裸片布局為了方便用戶，新一代便攜式產(chǎn)品中集成了越來越多的功能，例如，無線通信和數(shù)據(jù)處理功能在手機(jī)和PDA中的融合，新一代手機(jī)不僅

2、可以上網(wǎng)、處理郵件，還集成了拍照等功能；PDA廠商則在新推出的PDA中集成了無線通信、GPS等功能。功能的增多勢必導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量的提升，為了滿足更低功耗、更小尺寸的要求，電池管理技術(shù)在便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中成為至關(guān)重要的因素。本文分析了電池供電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的普遍問題。圖1：單片熱插拔器件的裸片布局。一、合理選擇電池終端用戶是否滿意其便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)，在很大程度上取決于電池的性能。電池的關(guān)鍵指標(biāo)當(dāng)然是電池的使用壽命，表面上看這只是一個簡單的數(shù)值，但它卻涉及到許多因素，其中包括：系統(tǒng)負(fù)載（滿負(fù)荷電流的供電時間，待機(jī)模式下的供電時間）、電源效率、系統(tǒng)電源管理、電池類型和充電方式等。這些特性之間的相互影響也

3、會影響終端用戶的感受，一般情況下，當(dāng)用戶開始注意到電池時，事情就變得比較棘手了！好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)既不需要頻繁更換電池（如電視遙控器），也不需要頻繁地給電池充電（電動牙刷），它應(yīng)使電池從用戶的眼前“消失”掉，避免用戶像關(guān)注設(shè)備的功能一樣關(guān)注電池。電池和系統(tǒng)之間的相互制約是設(shè)計(jì)中常常被忽視的問題，保證電池的容量與系統(tǒng)的需求相吻合非常關(guān)鍵。常用的電池類型有：堿性電池、鎳氫電池和鋰離子電池。它們之間是不可互換的，對于絕大多數(shù)產(chǎn)品都有一個最佳選擇方案。堿性電池堿性電池是不可充電電池，但他們具有極低的自放電率和成本，不需要充電器或交流電源插座。對于功耗較低的應(yīng)用，堿性電池將是一個很好的選擇，但須合理使用，靜態(tài)

4、電流或休眠電流都必需很低。設(shè)計(jì)中一個常見的誤區(qū)是：只關(guān)注工作效率，而忽視了“關(guān)閉”或“休眠”狀態(tài)下的電流損耗，即使消耗電池?cái)?shù)十微安的電流也會導(dǎo)致電池的頻繁更換?？沙潆婋姵禺?dāng)負(fù)載對于堿性電池而言過大時，需選用可充電電池，這對于筆記本電腦、PDA和蜂窩電話等便攜式產(chǎn)品已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)模式?？沙潆婋姵乇M可能少地“打擾”用戶，將對產(chǎn)品的銷售有一定的促進(jìn)作用，至少不會降低產(chǎn)品的性能。目前，針對便攜產(chǎn)品有兩種常用的可充電電池：鎳氫電池或鋰離子電池。鎳氫電池成本比鋰離子電池低，當(dāng)產(chǎn)品的使用條件對電池而言不安全時，這種選擇將變得很敏感。對于缺少復(fù)雜的充電設(shè)計(jì)的低成本產(chǎn)品，由于鎳氫電池適于完全充滿和完全放電的應(yīng)用，

5、用于將電能完全耗盡的產(chǎn)品比較適合，如：電動工具。另外一種適合鎳氫電池的應(yīng)用是直接替代堿性電池，這得益于鎳氫電池具有與堿性電池相同的電壓，電池能量耗盡時即從設(shè)備上移出電池，然后由外部充電器給電池充電。這種應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中比較普遍，但需要用戶的頻繁干預(yù)。許多便攜式產(chǎn)品與上述情況不同，例如：PDA、手機(jī)需要定期充電，但它們只是偶爾消耗電量。這些產(chǎn)品最好選用鋰離子電池，除了重量密度外，這種電池還具有兩個重要優(yōu)勢：低自放電率，對于短時間的充電-放電沒有限制。消費(fèi)者不會意識到“電池管理”問題，簡化了產(chǎn)品使用。二、精確檢測電池電量電量計(jì)量對于在每次使用中不會完全耗盡電量的產(chǎn)品很有用，尤其是數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、P

6、DA等產(chǎn)品。數(shù)碼相機(jī)不是經(jīng)常使用的產(chǎn)品，因此，用戶很容易忘記給電池充電，而在使用時電量又很重要，如果沒有一個好的電量計(jì)，數(shù)碼相機(jī)就存在隨時沒電的危險(xiǎn)，為用戶造成許多遺憾。圖2. 單片電池電量計(jì)提供更高的性價比大多數(shù)便攜產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中沒有給電量計(jì)留下充足的資金預(yù)算，設(shè)計(jì)者誤認(rèn)為消費(fèi)者不會重視這一特性，其實(shí)不然。手持系統(tǒng)不斷增加的存儲容量意味著應(yīng)用程序和用戶文件將被保存在易失型存儲器中。電池在毫無防備的情況下掉電，會造成用戶生成或購買的文件損壞或丟失。一些系統(tǒng)采用輔助電池在主電池?cái)嚅_時給存儲器供電，但是，由于輔助電池容量極小，為存儲器提供保護(hù)的時間非常有限，因此，以數(shù)據(jù)為中心的便攜產(chǎn)品必須在主電池電

7、量耗盡之前及時關(guān)閉，以確保主電池還有足夠的剩余電量保護(hù)存儲器的內(nèi)容。理想情況下，多功能手機(jī)或無線PDA的電池在停止使用時應(yīng)該留出100mAh至200mAh的剩余電量。舉例來講，假定某應(yīng)用要求150mAh的剩余電量，圖1a）給出了不同溫度下電池放電電壓與剩余電量的對應(yīng)關(guān)系，從20曲線可以看出，為了保留適當(dāng)?shù)氖Ｓ嚯娏?，?yīng)該選擇3.5V的截止電壓。而0和40曲線在同樣剩余電量下卻對應(yīng)有不同的截止電壓。如果電池比較冷（0），選用3.5V截止電壓將會保留400mAh的剩余電量，真正用于工作的電量還不到600mAh；如果電池較熱（+40），選用3.5V的截止電壓時剩余電量還不足100mAh。負(fù)載電流變化所

8、造成的影響也很顯著。圖1b）中的曲線顯示了三種不同放電速率下的電壓變化曲線：C/2、C/5和C/10，其中C為電池的電荷容量。曲線表明，到達(dá)3.5V截止電壓時，剩余電量由C/10的 100mAh變化到C/2的 200mAh。如果將截止電壓提升至3.6V，以確保C/10負(fù)載下有足夠的剩余電量，那么三種放電速率下的剩余電量將在150mAh至400mAh間變化。因此，試圖通過提升截止電壓來增加剩余電量的做法將會損失大量的電池能量。另外，電池老化也會對電池放電特性有一定影響，如圖1c）所示。老化效應(yīng)因電池而異，不同制造商的產(chǎn)品也存在較大差異。粗略的電量計(jì)量常常造成通話中斷、數(shù)據(jù)交換中斷、數(shù)據(jù)文件丟失等后果，用戶不得不在電量顯示用完一半時就開始充電。而智能電池監(jiān)視器能夠在考慮上述因素的條件下顯示預(yù)算的運(yùn)行時間，用戶不需要關(guān)注功耗模式問題。智能電池監(jiān)視器通常不是根據(jù)電壓、溫度和電流去查詢電量，它所測量的是流入和流出電池的電荷，利用庫侖計(jì)數(shù)器跟蹤電池的電荷量。通過測量溫度和放電速率，基于一個保存了電池特性參數(shù)的小型查詢表，對電池供出電荷的能力加以補(bǔ)償。圖2中的DS2751就是這樣的一個產(chǎn)品。DS2751內(nèi)部集成了檢流電阻，待機(jī)電流2μA，通過1-Wire接口與主機(jī)通訊，能夠提供所有必要的測量和數(shù)據(jù)存儲，配合主機(jī)提供的算法計(jì)算出