电池供电应用的集成电路

如果输出电流远大于静态电流（IQ），则可以忽略IQ。对于线性电路，输入电流等于输出电流与静态电流之和。因此，效率可简化为输出电压除以输入电压，如公式4所示。在电池供电设计中，IQ非常重要，因为待机时间将决定更换一次性电池的频率或对二次电池进行充电的频率。延长待机时间的方法之一是选择低IQ器件。

图1 LDO效率与输出电流的关系

图2展示了两种LDO（MCP1700与TC1017）的效率比较图。负载电流很小（如100µA）时，MCP1700 LDO的效率比TC1017高25%。但是，在负载电流超过10mA后，两种器件间的差异便不是很明显了，如图1所示。此结果也证明了公式4。

尽管低IQ可延长待机时间，但也存在与此相关联的性能下降问题，例如对线路瞬变和负载的响应时间变长，以及对电源噪声的抑制能力变弱。图2展示了一个负载响应时间的示例。图2的结果表明，如果性能对于设计很重要，不容有任何损失，那么在不提高成本的情况下，很难保持较低的IQ。克服此障碍的另一种方法是选择具有关断或待机功能的器件。例如，MCP1802 LDO工作在10kHz时的电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）高达70dB，但其只消耗25µA的静态电流。处于关断模式时，MCP1802 LDO仅提供10nA的典型待机电流。这一便利的功能有助于在系统关闭时将功耗降至最低。开关稳压器和MCU等器件可采用相同的理论来延长待机时间。

图2 MCP1700与TC1017的LDO负载阶跃响应比较

开关电容稳压器也称为电荷泵。此概念包括倍压器、分压器、负压发生器和直流－直流稳压器等。为了将电荷泵用作稳压器，器件通常先将电压倍增，然后将稳压后的电压送至所需输出。当输入电压与输出电压之间的差异较小时，转换过程中会有能量损失。因此，可使用多级电荷泵来帮助提高效率。

图3a和3b展示了MCP1256系列的双模式电荷泵操作。

图3a MCP1256/7/8/9电荷泵的1.5X能量传输操作

图3b MCP1256/7/8/9电荷泵的2X能量传输操作

充电阶段完成后，传输阶段开始。此阶段将能量从快速电容传输至输出。MCP1256/7/8/9器件会自动在1.5X模式与2X模式之间切换。这决定了在能量传输至输出后，快速电容是改为并联（1.5X模式）还是保持串联（2X模式）。传输模式决定了闭合哪些开关以进行传输。

公式5

公式6

公式5用于计算1.5X工作模式下的效率，而公式6用于计算2X工作模式下的效率。图4显示了多级电荷泵的模式转换和特性。随着负载的增加，最小输入电压也会增加。因此，实际的最小输入电压与所需负载电流相关联。输入接近于输出时，1.5X工作模式可提高效率。

图4 MCP1256/7/8/9电荷泵效率与VIN的关系

相似的多工作模式概念同样适用于直流－直流转换器。图5展示了典型升压转换器的应用电路。除了脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）模式外，转换器还可工作在旁路模式下，从而将特定情况下的不必要功耗降至最低。

图5 MCP1640电路配置（6引脚SOT-23封装）

单片机（MCU）对延长电池寿命也起到重要作用现在的MCU厂商不仅致力于最大化处理速度，而且还在不断尝试在性能与功耗之间找到平衡点，尤其是在电池供电应用中。由于当今器件所需晶体管数不断增加，传统休眠模式已无法再满足现代系统设计人员与消费者的需求。许多MCU厂商尝试提供深度休眠模式来满足这些需求。

典型MCU功耗主要分为两类——静态功耗和动态功耗。晶体管的泄漏功耗为静态功耗。动态功耗发生在运行时。nanoWatt XLP是一项可采用的技术，旨在提供比上一代休眠方法更长的电池寿命。nanoWatt XLP技术可为欠压复位（Brown-out Reset，BOR）、实时时钟/日历和看门狗定时器提供更小的电流。

表3显示了各类具有深度休眠模式的MCU，该模式可提供更长的待机时间，并且可以很好地与前文所述的电源管理IC配合工作。

表3：深度休眠模式MCU示例

为帮助设计人员估算电池运行时间，MCU厂商提供了可根据输入信息来计算电池可能寿命的工具。利用估算器工具，产品设计人员可确定适合目标应用的电池，并了解如何通过所选元件将运行时间最大化。图6中所示的nanoWatt XLP电池寿命估算器即为此类工具之一。

图6 电池寿命估算器GUI示例

恢复可充电电池的电量有多种不同方法。嵌入式充电系统的灵活性最高，而分立式充电管理单元可实现紧凑设计。当然，总是存在不用管理充电过程的低成本方法。我们不建议使用这种方法，尤其是分立式IC现在已经非常便宜的情况下。现代充电管理系统采用各种各样的充电方法为镍氢或锂离子电池充电。图7展示