电源管理技术及其在移动通信端的应用原理

电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，优秀的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称做电源控制技术，它属于电力电子技术的范畴，是集电力变换，现代电子，网络组建，自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，现今已经广泛应用到工业，能源，交通，信息，航空，国防，教育，文化等诸多领域。

电源管理的特点是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及两个不同方面的内容：一方面想要保持能量转换的综合效率，同时还希望减小设备的尺寸;另一方面是保护尺寸不变，大幅度提高效能。

在交流/直流(AC/DC)变换中，低的通态电阻，符合计算机和电信应用中更加高效适配器和电源的需要。在电源电路设计方面，一般待机能耗已经降到1W 以下，并可将电源效率提高至90%以上。要进一步降低现有待机能耗，则需要有新的IC制造工艺技术及在低功耗电路设计方面的突破。

越来越多的系统会需要多输出稳压器。例如带多输出和电源通路控制的锂离子充电电池，多输出 DC/DC转换器和具有动态可调输出电压的开关稳压器等。

上世纪80年代，提出了电源制造中电力电子集成概念，明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路。电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件，把电源技术推向了电源管理的新时代。电源管理集成电路分成电压调整器和接口电路两方面。正是因为这么多的集成电路(IC)进入电源领域，人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。

电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算化、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。

上世纪40年代晶体管问世，随后不到十年，晶闸管在晶体管渐趋成熟的基础上问世，从而揭开了电源技术长足发展序幕。半个世纪以来，电源技术的发展不断创新。

高频变换是电源技术发展的主流

电源技术的精髓是电能变换。利用电能变换技术，将市电或电池等一次电源变换成适合各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达兆赫兹的高频开关电源，为高频变换提供了物质基础，促进了电源技术的发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗，电源装置小型化，提高功率密度，加快系统的功态响应，进一步提高电源装置的效率，有效抑制环境噪声污染，并使电源进入更广泛的领域，特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。

新理论、新技术的指导

单管降压、升压电路、谐振变换、移相谐振、软开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;计算机辅助设计(CAD)、功率因数校正、有源箍位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、 遥感遥控、微机监控等新技术，指导厂电源技术的发展。

新器件、新材料的支撑

晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备厂现代电源技术、促进电源产品升级换代。并正在研究开发砷化镓(GaAs)、半导体金刚石、碳化硅(SiC)半导体材料。

控制的智能化

控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。数字信号处理器DSP的采用，实现控制全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高电源装置的可靠性。

电源电路的模块化、集成化

单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构，已经在通讯、电力获得广泛应用，并且派生出新的供电体制――分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化。电路集成的进一步发展是做系统集成，将信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起，增加了可靠性。

电源设备的标准规范

电源设备要进入市场，今天的市场已是超越局域融费全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备要接受安全、 EMC、环境、质量体系等多种标准规范的论证。

电源管理

电源技术的发展是以晶闸管 (可控硅)的发展作为基础的。 1979年发明了功率场效应晶体管 (MOSFET)，1986年生产了高压集成电路(HVTC)，也就是最早的电源集成电路(电源IC)。正是因为电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件，把电源技术推向了电源管理的新时代。

电源管理半导体从所包含的器件来说，明确强调电源管理集成电路(电源管理IC，简称电源管理芯片)的位置和作用。电源管理半导体包括两部分，即电源管理集成电路和电源管理分立式半导体器件。

电源管理集成电路包括很多种类别，大致又分成电压调整和接口电路两方面。电压凋整器包含线性低压降稳压器(即LOD)，以及正、负输出系列电路，此外不有脉宽调制(PWM)型的开关型电路等。因技术进步，集成电路芯片内数字电路的物理尺寸越来越小，因而工作电源向低电压发展，一系列新型电压调整器应运而生。电源管理用接口电路主要有接口驱动器、马达驱动器、功率场效应晶体管(MOSFET)驱动器以及高电压/大电流的显示驱动器等等。

电源管理分立式半导体器件则包括一些传统的功率半导体器件，可将它分为两大类，一类包含整流器和晶闸管;另一类是三极管型，包含功率双极性晶体管，含有MOS结构的功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。

在某种程度上来说，正是因为电源管理IC的大量发展，功率半导体才改称为电源管理半导体。也正是因为这么多的集成电路 (IC)进入电源领域，人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。

电源管理IC分类

电源管理半导体本中的主导部分是电源管理IC，大致可归纳为下述8种。

1、AC/DC调制IC。内含低电压控制电路及高压开关晶体管。

2、 DC/DC调制IC。包括升压/降压调节器，以及电荷泵。

3、功率因数控制PFC预调制 IC。提供具有功率因数校正功能的电源输入电路。

4、脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC。为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关。

5、线性调制IC(如线性低压降稳压器LDO等)。包括正向和负向调节器，以及低压降LDO调制管。

6、电池充电和管理IC。包括电池充电、保护及电量显示IC，以及可进行电池数据通讯“智能”电池 IC。

7、 热插板控制IC(免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响)。

8、MOSFET或IGBT的驱动 IC。

在这些电源管理IC中，电压调节IC是发展最快、产量最大的一部分。各种电源管理IC基本上和一些相关的应用相联系，所以针对不同应用，还可以列出更多类型的器件。

电源管理IC应用在便携式产品(手机、数码相机、笔记本电脑、MP3播放器、移动硬盘等)、数字消费类电子产品(高清晰度电视机、LCD电视机和面板、DVD播放机)、计算机、通信网络设备、工业设备和汽车电子。其中消费类电子产品是电源管理芯片的最大应用领域。

所有这些应用和产品都需要相应的电源管理技术才能充分发挥它们的功能。IC方案需要解决产品差异化，电源管理效率，产品尺寸极小型化以及产品功能多样化。

在应用驱动和技术进步的作用下，对电源IC的技术要求也不断走高。而且随着应用的不断创新，电源IC的市场也呈现出需求多样化，应用细分化，更多高性能电源IC的市场需求也不断深化以及扩展化，更好地为满足系统创新，性能提升而服务。

数字电源为电源设计领域注入了新的活力，同时也对电源管理IC厂商提出了更高的要求。电源IC厂商需要和主芯片厂商进行有效地技术沟通，因为只有了解系统芯片的需求，电源IC的目标设计规格才显得更有意义，这种为系统性能需求而定制的电源设计最终能为系统的功耗优化做出巨大的贡献。

受SoC化设计趋势的影响，近年来电源管理IC技术表现出越来越强的模块化趋势。一方面，设备正变得越来越复杂，更多功能特性、更快更复杂处理器需要更先进的电源管理解决方案另一方面，模块化的电源管理IC可有效降低系统设计的复杂性，节约电路板空间，提高系统的长期可靠性，同时也能有效降低系统成本，带来的好处是显而易见的。

锂离子电源管理的设计主要是针对锂离子电池的特性来进行的。锂离子电池的安全性能及供电性能主要体现在其充放电参数的控制上。图1为锂电池电源管理原理图。该图由控制芯片和外围电路组成。接下来，我们就图1从锂电池放电、充电两个方面来探讨如何实现锂电池的管理。

放电工作原理

电池过放可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放或反复过放，对电池的影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质的可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量会有明显衰减。锂离子电源管理电路的功能之一就是为了保护锂电池不至于过放。

锂电池的正常工作电压为2.575～4.2V。当电池电压在此范围内，管理电路将MOSFET管S4打开，在电池(CELL)电压与BATT+之间建立低阻通道，有利于电流从电池流向手机负载。在此情况下，过放就体现为输出电流过大。在整个输出过程中，电源管理电路不断地检测从电池输出到负载的电流。当电池输出电流超过通常的保护值3.5A的时候，手机短路保护电路开始工作，关闭S4，切断电池与BATT+的连接。

当电池持续放电到电池电压低于文献[1]规定的放电终止电压2.375V以下时，则属于电压过放。此时，图1中的手机低电压及短路保护电路开始工作，同电流过放一样，关闭S4，切断电池与BATT+的连接达到保护锂电池的目的。

充电工作原理

充电管理电路在对锂电池进行充电时，更是一个复杂的过程，既要保证锂电池能够充满，又要保证锂电池的性能，最重要的是要保证锂电池不能过充。如果锂电池在充电过程中充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著降低。

整个充电电路应该具有以下几种充电模式：

1、低电压预充电模式;

2、全速充电模式;

3、涓流充电模式;

4、顶端截止、脉冲充电模式;

5、充电截止模式。

当电池电压低于3.0V时，电源管理电路进入低电压预充电模式。当电池极度过放时，为了防止过量的充电电流对电池性能造成损伤，充电电路应该采取渐进的充电方式。

对于一块极度过放的，电压已低于0.7V的锂电池，电源管理电路将提供预充电涓流给电池。此时S1关闭，充电器通过R1提供电流给管脚Vdect，充电器提供电流的大小完全由R1决定，整个充电器几乎工作在无负载情况下。这种充电模式甚至可以对电压已经为0V的电池进行充电;当电池电压高于0.7V低于1.98V时，外部S1及S2工作，电源管理电路可以以更高的电流对电池进行充电。但是，此时三极管S1的功耗检测电路还没有工作，必须限制其功耗低于800mW，以免烧毁S1;当电池电压高于1.98V低于3.0V时，整个电源管理电路都正常工作，此时S1的控制电路使S1以较高的电流，但远低于全速充电电流对电池进行充电，该电流一般超过100mA。

当电池电压高于3.0V时，预充电模式结束，进入全速充电模式。此时，电源管理电路将S1及S2打开，并使S1工作在饱和模式，充电器提供全速充电电流给电池充电。但是，电源管理电路将限制最大充电电流小于1.5A。

这种充电模式对充电器也有一定的要求，要求其实现限流输出。这样做的目的是便于移动通信终端厂商，在产品设计时可以根据产品的定义，选择不同的充电电流，实现对具体锂电池快速有效的充电。在典型应用中，一般要求充电器提供的输出电流限制在1A以内，具体的电流可以根据所用锂电池厂商推荐使用的充电电流，以便电池能够具有一个较高的循环寿命。

该充电模式其实也是一种恒压充电模式，当电池表面达到控制电路设定的终止充电电压Vterm时，即进入该种充电模式。由于在全速充电模式下，电流比较大，电池表面电压与实际电池芯的电压有比较大的落差，涓流充电模式就是用来减小甚至消除该落差。此时，电源管理电路通过控制S1的开闭情况，将提供给电池的最大电流限制在100多mA。由于电池被充得越来越足，因此，涓流就越来越小，直到截止。

当电源管理电路处于涓流充电模式时，它会周期性地跳转到全速充电模式，形成脉冲电流对电池进行充电。大电流脉冲宽度一般<100μs，这样有利于电池更快被充满。

电源管理电路会有一个控制引脚，由手机的CPU决定什么时候停止充电。进入这种模式，一般会有这样几种情况：手机检测到充电电路包括锂电池温度过高;不是原装的锂电池;已经进入涓流充电，不需要充电时间过长;充电器设计不合理等等。