新型的筆記本電腦電源管理技術(shù)

傳統(tǒng)的筆記本電腦電源架構(gòu)

筆記本電腦的電源部分可分成兩大部分：鋰離子電池組及充電線路和系統(tǒng)供電電路。因為筆記本電腦不能直接使用交流電，所以外部還需要一個電源適配器，通過它將交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電。當直流電進入筆記本電腦之后，會兵分兩路，一路直接輸送到系統(tǒng)內(nèi)置的DC/DC變送器中，經(jīng)過變壓處理，給各單元供電；另一路則會進入鋰離子電池充電線路，對鋰離子電池充電。鋰離子電池組一般采用四串二并或三串二并的結(jié)構(gòu)，其所需的電壓為9～16.8V，而電源適配器所輸出的電壓多為19V，為了兼顧這兩部分的不同要求，電源的設(shè)計者就要將筆記本電腦的輸入電壓限定在7～21V。

這樣就會產(chǎn)生兩個問題：第一是輸入電壓的范圍過寬，很容易降低效率，并增加系統(tǒng)發(fā)熱量，給系統(tǒng)帶來隱患。第二是鋰離子電池組所需的電壓與系統(tǒng)電壓不同，使設(shè)計人員在設(shè)計電源適配器的時候，要在系統(tǒng)的峰值功率上再加上充電功率，系統(tǒng)的功耗因此會被提升。

新型的電源管理架構(gòu)

要解決上面的問題，光靠修修補補是無濟于事的，必需要在結(jié)構(gòu)上動大手術(shù)。為此，許多公司都開發(fā)出了新的電源架構(gòu)。這里，我們以O(shè)2Micro公司的OZ875x為例來進行說明。該系列芯片采用了一種名為Cool Charge Topology（CCT）的拓撲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最大特點就是適配器的輸出電壓會同鋰離子電池組的電壓保持一致，其原理架構(gòu)如圖1所示。

圖1  OZ875x原理圖

實現(xiàn)的關(guān)鍵就是電池組管理芯片將能夠主動地調(diào)節(jié)適配器的輸出電壓，使其同樣輸出9～12.6V的電壓，這樣就能減小電腦輸入電壓的范圍（具體的拓撲見圖2）。當然，該架構(gòu)還使得系統(tǒng)電路板的面積得以減小，降低了系統(tǒng)的成本。從圖2可以看出，由于采用新的設(shè)計，OZ875x芯片可為系統(tǒng)節(jié)省兩個外部MOSFET。同時，外部輸入電容和MOSFET的規(guī)格也相應(yīng)的降低了。因為如果筆記本電腦的輸入電壓為21V，輸入電容就要有25V，而MOSFET就要有30V。而新技術(shù)將最大輸入電壓降低到了12.6V，對電容和MOSFET的要求也就相應(yīng)降低了。這種架構(gòu)的最后一個好處是擴大了對適配器的選擇范圍，因為由電池組管理芯片來調(diào)節(jié)適配器的輸入電壓，我們可以不再考慮適配器的種類。

圖2  OZ875x架構(gòu)圖

其他的電源芯片公司也在推出自己的新產(chǎn)品，比如，Linear的LTC4062、MAXIM的MAX1533A/MAX1537A、TI的bq24060等，因篇幅有限，這里就不一一介紹了。

再加一層防護鋰離子電池的能量密度是很高的，這既給系統(tǒng)帶來了充沛的活力，又給系統(tǒng)造成了安全隱患。前不久發(fā)生的筆記本電腦電池爆炸事件就是一個很好的佐證。

對于鋰離子電池來說，問題多發(fā)生在充放電這個環(huán)節(jié)，除了過度充電和過度放電以外，充電中的過電流充電和過電壓充電也對電池的傷害很大。以往，老式的芯片注重對溫度的監(jiān)控，但溫度的變化只是一個表象，電流和電壓的異常才主要的原因。能在充電過程中做到對電壓和電流的精密監(jiān)控才是真正的未雨綢繆?，F(xiàn)在，新式的芯片已經(jīng)具備了防范過電流和過電壓充電的功能。以O(shè)Z875x為例，當充電電壓高于這個電壓的時候，它會控制外部的MOSFET關(guān)斷，停止電池的充電活動；它還設(shè)有一個監(jiān)測電阻，用以偵測充電電流。當其上的電壓超過一個臨界值的時候，芯片也會同樣停止對電池的充電行為。

有了具有保護功能的充電器芯片，再加上鋰離子電池自身的防護電路，這樣就能給筆記本電腦加上雙保險。

電池的新角色

對于傳統(tǒng)類型的筆記本電源電路來說，適配器的選擇是很嚴格的，功率較小的適配器往往會因為功率不足而拒絕給筆記本電腦充電。而新型充電器芯片的出現(xiàn)則解決了這個問題，還以O(shè)Z875x為例（見圖2），因為電池組的電壓與適配器的輸出電壓是相等的，當筆記本電腦需要瞬間的大功率而適配器不能滿足時，電池組會自動向系統(tǒng)供電；而當電腦不再需要這些電能的時候，適配器會再次向電池進行充電。從這方面來看，新型的充電器芯片使鋰離子電池組扮演了一個“消防隊員”的角色。

結(jié)語

對于筆記本電腦來說，安全和高效的電能供給是非常重要的，相比于飛速發(fā)展的處理器和芯片組，電源芯片的腳步似乎有點蹣跚。不過，我們已經(jīng)看到了變動的前兆，相信在不遠的將來，電源芯片技術(shù)也會有一個質(zhì)的飛躍。