新兴电源应用的电池管理解决方案

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[导读] 在便携式应用中，空间是极其重要的。TI提供的高级解决方案采用QFN和晶圆级芯片规模封装并具有很高的集成度，旨在缩减解决方案的外形尺寸。
1.电池管理系统概述

　　在便携式应用中，空间是极其重要的。TI提供的高级解决方案采用QFN和晶圆级芯片规模封装并具有很高的集成度，旨在缩减解决方案的外形尺寸。除了减少板级空间占用之外，许多此类解决方案还降低了功率耗散并提高了总体效率。TI的电池管理解决方案可支持多种电池化学组成和电池单元数量，从普遍使用的锂离子电池（Li-Ion）技术到业界标准的镍氢电池（NiMH）和铅酸电池等。TI的相关产品支持广泛的应用，例如：移动电话、智能手机、平板电脑、便携式消费设备、便携式导航装置、笔记本电脑以及诸多工业和医疗应用等。TI拥有与您的设计规范相匹配的电池管理器件，另外，我们还提供了可帮助您的设计更快面市所需的评估板、应用手册、样片和数据表。

　　2.设计因素

　　电池化学组成－每种电池化学组成具有不同的工作特性，例如：放电模式和自放电速率。TI的电池电量监测IC是按照电池化学组成开发的，以补偿这些差异，从而准确地显示电池中的剩余电能。而且，每种电池化学组成对其充电算法都具有独特的要求，这对最大限度地扩充其容量、延长电池使用寿命以及提高安全性至关重要。

　　充电控制拓扑结构－简单的线性拓扑结构非常适合于充电电流小于1A的低功率电池组（例如：单节或两节锂离子电池）应用。开关模式拓扑结构则理想适用于依靠USB端口执行的快速充电或者那些要求充电速率大于1A的大型电池组。开关模式转换可将充电过程中产生的热量减至最少。无线电源拓扑结构采用共有磁场，以提供非接触式功率传送的优势。无线充电为便携式设备提供了一种额外的电池充电选项，也可作为其他5V充电电源的替代方案。

　　输入电压－IC宽阔的输入电压范围和输入过压保护不仅能实现最高的安全性，同时还能允许使用低成本的未稳压墙式适配器。

　　串接电池的数量－电池组由一串串联和并联的电池所构成。对于每个串联电池或并联电池组都必需提供针对过度充电、过度放电和短路状况的保护作用。

电源管理
电池管理

　　3.电池管理解决方案

　　1）新兴电源应用之太阳能充电

　　光伏技术业已取得重大进步，目前能够从太阳实现更具成本效益和高效率的能量收集。如今的大多数太阳能收集均使用高功率设施，这些设施负责向家庭或商业楼宇提供补充的交流（AC）功率，且通常与公用电网相连。然而，现实中的许多设备和装置仍未与电网相连接，或者电网本身可靠性欠佳，再或者与交流电源的连接完全不切实际。在这些应用中，利用太阳来给那些负责为离网应用供电的电池实施充电是一种更为实用的解决方案。对于此类应用而言往往需要在成本与光伏效率之间进行权衡。既要最大限度地增加可从太阳能板获取的功率，同时也必需兼顾总体系统的成本和尺寸。

　　下面的示意图给出了两个低成本太阳能充电器应用的实例，其中，电池充电器与简单的电路实现了集成（以最大限度地提高太阳能板的功率点），并且与用于负载调节的电路进行了集成。通过增设诸如LED驱动器等器件，即可开发简单的太阳能街灯或太阳能灯笼。由一个USB开关和一个升压型转换器构成的实现方案能够形成一种适合便携式设备的简单的太阳能充电器。其他应用可实现用于太阳能供电风扇或泵类的电机驱动器。这些只是TI新型太阳能充电器IC系列所能实现的诸多应用选项当中的一小部分而已。

太阳能充电应用框图
太阳能充电应用框图

　　2）新兴电源应用之混合动力汽车（HEV）电池管理

　　电池管理电池管理系统（BMS）是HEV整体架构中的要素之一。智能型实现方案不仅能够延长电池的使用寿命，而且还有望延长汽车采用纯电力驱动模式时的行驶距离，对于最终用户来说这是一个关键的卖点。BMS模块需要具有电池监控和电池电量平衡特性，常常通过不同的通信路径进行连接以确保系统冗余度。另外，内置的温度管理功能电路对于系统的寿命及安全性来说也是一个至关重要的因素。完整的BMS代表了一种安全关键程度很高的功能；因此，可靠的通信和准确的数据测量是不可或缺的。

混合动力汽车电池管理
混合动力汽车电池管理

　　3）新兴电源应用能量收集

　　由于人们正在开发各种新型的可替代（离网）能源，因而需要用于收集、存储和调节此类电能的电源管理技术。来自诸如光伏板、动力（振动）MEMS和热电元件（利用了帕尔贴［Peltier］、汤姆逊［Thompson］或塞贝克［Seebeck］效应）等能量源的能量提出了一项挑战，就是如何将超低的“毫微”级功率转换至更加可用的水平、并将此能量存储起来以供日后之用。TI持续不断地开发旨在应对这些能量收集难题的新型电源管理IC，包括超低功耗器件，如LDO和高效升压型转换器及电池充电器。这些电源管理器件进一步完善了TI的低功耗MCU及射频（RF）、放大器和传感器IC产品线——从而为利用新型超低功率可替代能源供电的系统提供了一种整体解决方案。

能量收集应用框图
能量收集应用框图

　　4）无线电源

　　作为最早推出符合Qi标准之器件的厂商，TI是新型无线电源市场的领导者。无线电源联盟（WirelessPowerConsortium）目前的会员超过81个，TI便是其中之一。该联盟正在制定使用Qi标准来实现可互操作型无线充电的国际标准。

　　bqTESLA芯片组使得客户能够为其电子设备提供高达5W的功率，因而符合Qi标准。目前，组成bqTESLA芯片组的发送器和接收器解决方案已经达到了规模生产的要求。bqTESLA接收器系列包括bq51013和bq51011，可输出5V电压并利用嵌入式通信技术提供闭环控制。软件已被写入器件，故而无需进行软件编程。bqTESLA发送器系列包含bq500210和bq500211，可操作和控制符合Qi标准的无线电源功能。

无线电源应用框图

　　TI相关电源管理产品：

　　适用于太阳能的BQ24650评估模块同步开关模式电池充电控制器

　　BQ76PL536锂电池监视器和二级保护IC

　　TPS61202:采用 3x3 QFN 封装、具有 1.3A 开关和“降压模式”的 0.3V 输入电压升压转换器