作者：德州儀器應用工程師 Thomas Regan
美國聯邦航空總署針對可攜帶上機的電池祭出尺寸限制後，如何只用容量100Wh的電池設計應用成了一大挑戰。為了符合安全規範，部分業者變更僅有一顆電池的設計，改採兩顆小型電池。然而，兩顆電池的設計通常需要配置備援或雙電源，造成電源路徑更為複雜。
本篇文章主要介紹運用TI的LM74700-Q1理想二極體控制器，將負載電流均分於多個電源或電池，實現簡單又有效的配置。這種配置方法讓設計人員能在系統中採用多個電池或電源，適用於氧氣機、筆記型電腦、便攜式示波器等應用。對於使用多電池的系統而言，若採用圖一所示的負載均分配置，每一顆電池僅需供應總負載電流一半的電力，有助大幅延長電池壽命。
圖一：多電池系統方塊圖
如方程式一與二所示，僅供應一半的總負載電流能降低電池內阻50%的I2R：
設計驗證
在系統中配置多顆電池時，即使兩顆電池看似相同，性能也不完全一樣。電池的內阻或放電率若不同，可能造成電流回流，或其中一顆電池未輸出電流。使用LM74700-Q1時，每顆電池能依照電壓供給相應電流。為進一步說明，圖二顯示兩顆9V電池供電給定電流負載時的電流消耗。其中一顆是新電池，另一顆的電量已部分消耗。
圖二：兩顆9V電池的電流消耗
如圖二所示，與電量較低的電池相比，較高電壓的電池輸出的電流多了一些。隨著高電壓電池放電，電壓會逐漸降低，直到與第二顆電池相同。之後，兩顆電池會開始供應大約等量的電流給負載。
設計考量
LM74700-Q1內建電荷泵，能控制讓65V直流電壓通過的N通道場效應電晶體（N-channel FET）。電荷泵能以比源極高15V的閘極電壓，讓FET完全飽和。
對於電池系統或任何效率系統而言，配置使用N通道FET的理想二極體控制器，較P通道FET更為合適。在額定電壓相近的情況下，N通道FET的導通電阻一般較低、封裝較小，閘極電荷閾值也較低。導通電阻低的FET能進一步降低系統電源路徑的I2R損耗，而較低的閘極電荷閾值可提升FET的開關速度。
為了使損耗降至最低、最佳化瞬態回應，選擇適合的FET至關重要。相較於蕭特基二極體（Schottky diode）或P通道FET電路，使用LM74700-Q1理想二極體控制器能大幅減少DC導通損失。不過，選擇N通道FET時，其實有幾個設計考量。如果您需要FET在開關之間快速切換，在瀏覽TI的N通道FET產品規格表時，不妨注意其中的閘極電荷（Qg）參數。方程式三與四列出Qg、閘極驅動電流（Ig）與開關FET所需時間的關係：
LM74700的閘極驅動電流為11mA，而閘極流入電流為2,370mA。無論是開啟與關閉指令，或是輸出端偵測到對於高電壓的反應，如此高的lg能縮短系統的回應時間。快速轉換能保護電池不受輸出端的過電壓事件影響；在電池電源與DC電源模組之間轉換時，則需要最小滯留電容（holdup capacitance）。如圖三所示，為了讓系統中多個電源達到電流消耗平衡，放電路徑中必須存在等效電阻。電池間的電壓或電阻若有落差，將影響均流的能力。
圖三：放電路徑中的等效電阻
如方程式五與六所示，即使系統的流出電壓相同，串聯電阻的差異也可能改變供應的電流量。由於電池內阻可能不同，因此在設計電池化學結構或壽命不同的系統時，需考量此一可能性。
總結
對於配置多電池或電源的系統，運用LM74700-Q1理想二極體控制器管理放電路徑是簡單又有效的方法。控制模式類似時，理想二極體控制器能建構高效、快速的反應路徑，比使用二極體或P通道FET的設計更具優勢。
