延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備壽命的電池解決方案

在快速發(fā)展的行動(dòng)運(yùn)算市場(chǎng)中，制造商彼此間角逐市占率的競(jìng)爭(zhēng)是非常激烈的。競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是電池壽命─包括系統(tǒng)每次充完電的續(xù)航力可支援多少的應(yīng)用;以及在產(chǎn)品壽命期內(nèi)，每一次的充電周期是否皆能提供一致的系統(tǒng)運(yùn)作能力(圖1) 。

圖1 ： 電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。資料來(lái)源：美國(guó)電力??研究院(EPRI)

行動(dòng)裝置的內(nèi)部運(yùn)算元件技術(shù)不斷進(jìn)步，已擴(kuò)展出極廣泛的應(yīng)用范圍，從穿戴式裝置到筆記型電腦(圖2)，然而電池儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)展卻未能以同樣速度前進(jìn)。不過(guò)，制造業(yè)者正在利用他們所擁有的技術(shù)探索可行方法，透過(guò)電池單元的建構(gòu)來(lái)增加更多的電力。電池配置及系統(tǒng)構(gòu)造的最佳化能??為制造業(yè)者提供一條康莊大道，以實(shí)現(xiàn)更佳的電源效率，以及隨之而來(lái)更長(zhǎng)的電池壽命。

圖2 ： 左：以MIPS量測(cè)的處理器能力，采用對(duì)數(shù)刻度顯示右：以Wh/l 為單位的電池能源密度

當(dāng)前的一個(gè)重大議題是，今日的微處理器及系統(tǒng)單晶片(SoC)元件需要維持在低電壓的高電量，導(dǎo)致了高峰值電流的需求增加。最大電流的需求期間可能很短，但是對(duì)于系統(tǒng)每次充電后的續(xù)航力，以及整體運(yùn)作壽命來(lái)說(shuō)影響重大。

現(xiàn)今的SoC促使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向采用高放電率的電池解決方案。這種改善SoC能源效率的驅(qū)動(dòng)力，已發(fā)展到能將核心電壓降低到1V以下或更低。一般來(lái)說(shuō)，如果輸入和輸出電壓比低，則在裝置內(nèi)負(fù)責(zé)提供負(fù)載點(diǎn)(point-of-load)電力的降壓轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)升高，這樣看來(lái)，低電壓電池配置的電力損失似乎偏低，有助于確保更久的系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間。然而，較低的電壓會(huì)導(dǎo)致向電池組汲取高電流。

重復(fù)以高放電率放電會(huì)嚴(yán)重?fù)p及電池的有效容量，基于此理由，電池制造商會(huì)針對(duì)自身的產(chǎn)品建議最大放電率，以達(dá)到既定的周期壽命。

若平均電流量是2A，則電池在經(jīng)過(guò)500個(gè)充放電周期后，預(yù)期仍能儲(chǔ)存其額定容量的95%。若平均電流量是20A，則有效容量會(huì)降至70%，減短了電池的可用壽命。在舊有的設(shè)計(jì)中，電池通常是可替換的。然而，為了提供使用者更強(qiáng)的續(xù)航力，制造商越來(lái)越常采用不易更換的嵌入式電池。

嵌入式電池讓制造商能以更多元的方式為產(chǎn)品提供額外的電池容量。一些可折疊式的平板設(shè)計(jì)將電池內(nèi)嵌于平板和鍵盤模組等多處地方，因此提供的總和容量會(huì)高于使用者可更換的單一電池。如此一來(lái)，嵌入式電池解決方案其生命周期內(nèi)的容量就變得更重要了。

電池配置通常就是為了達(dá)到特定輸出電壓及峰值電流額定值所進(jìn)行的電池單元安置。電池單元可能采用并聯(lián)，則峰值電流輸出就要乘以并聯(lián)的電池單元數(shù)量。2P(2個(gè)電池單元并聯(lián))配置能有效產(chǎn)生雙倍的電流。相反的，若是采用串聯(lián)，則輸出電壓會(huì)增加，2S(2個(gè)電池單元串聯(lián))會(huì)導(dǎo)致加倍的輸出電壓。有些系統(tǒng)尤其是筆記型電腦會(huì)采用混合配置，例如3S2P配置。較小的系統(tǒng)則通常采用1S， 2S或3S配置。

對(duì)許多設(shè)計(jì)而言，2P配置的鋰聚合物電池能支援制造商想要的電池封裝選項(xiàng)，也相容于不斷成長(zhǎng)的可攜式系統(tǒng)的電壓，包括高階智慧型手機(jī)、平板手機(jī)、可折疊式平板和筆記型電腦等。就筆記型電腦而言，比舊式3S及4S配置更低的電壓，更能相容于今日的核心電壓，也防止電池組的放電率太高。對(duì)較大體積的智慧型手機(jī)設(shè)計(jì)而言，這樣的電壓有助于確保峰值電流的功耗保持在不會(huì)損及電池長(zhǎng)期容量的范圍內(nèi)，同時(shí)也適合今日的超薄訴求。

雖然智慧型手機(jī)設(shè)計(jì)要求的高電壓，看似對(duì)制造商必須提供的長(zhǎng)久電池壽命形成挑戰(zhàn)，然而只要改變電力供輸方式即能有效解決問(wèn)題。當(dāng)輸入/輸出電壓比的提高影響了降壓轉(zhuǎn)換器的效率，只要透過(guò)預(yù)調(diào)步驟就能將降壓電路維持在低耗損，同時(shí)相容于2S解決方案的較高電壓。

關(guān)鍵在于固定比的電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，能將2S電池組的額定電壓7.2V 減半至3.6V，且仍在現(xiàn)今降壓轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。采用這樣的固定比轉(zhuǎn)換器，不僅是高效率的轉(zhuǎn)換策略，也意謂著用于1S配置的降壓轉(zhuǎn)換器，可以容易的為2S電池組的設(shè)計(jì)再次使用，因而加速上市時(shí)間。

例如，在Dialog的DA9312(圖2)中的電源轉(zhuǎn)換器，能呈現(xiàn)從極低電流到最大10A電流的平坦效率曲線。與既有的降壓轉(zhuǎn)換器一起使用，雖然額外的電壓轉(zhuǎn)換會(huì)造成些微的額外損失，但能經(jīng)由2S電池組內(nèi)多重低壓降壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作而獲得補(bǔ)償，電池壽命不會(huì)受損。

圖3 ： DA9312方塊圖

2S電池組提供的電壓能直接支援降壓轉(zhuǎn)換器，為USB周邊裝置以及有較高電壓需求的介面供電，這類電壓高于核心邏輯所需的電壓，以相容于周邊電路的電壓。像DA9312這樣的元件便充分發(fā)揮了2S配置的這個(gè)特性，整合兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，并搭配功率FETs更為完整。

為了支援這些較高電壓的介面的高峰值容量，可以采用一種雙相(dual-phase)策略，將這兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器視為一組來(lái)運(yùn)作。除了由電源轉(zhuǎn)換器提供給外部核心邏輯降壓轉(zhuǎn)換器或系統(tǒng)PMIC(電源管理IC)的10A外，這種雙向拓璞還能讓峰值電流達(dá)到10A。

結(jié)果就是整體體積更小的電源管理方案，并且能在同一個(gè)封裝中執(zhí)行多重電壓轉(zhuǎn)換器的功能?，F(xiàn)今的設(shè)計(jì)中，印刷電路板(PCB)面積有很高的比例是分配給電源管理。近來(lái)有些設(shè)計(jì)中會(huì)達(dá)到PCB的40%，主要?dú)w因于SoC元件的持續(xù)整合。透過(guò)超高整合度的SoC，PCB本身已有縮小，能挪出更多的空間給電池。依循著相同的SoC趨勢(shì)，電源管理電路本身也在縮小，為更大的電池容量提供了更多可能性。

DA9312采用此種電壓轉(zhuǎn)換器拓樸的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)，是能在沒(méi)有外部電感、唯有電容的情況下運(yùn)作。不僅節(jié)省電板空間，也增強(qiáng)系統(tǒng)制造商提供超薄產(chǎn)品的能力。繞線電感因?yàn)檎俭w積，很難應(yīng)用于超薄外觀。另一方面，電容無(wú)論在尺寸和形狀方面都能提供更多的彈性。采用高交換頻率，例如兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器所使用的1.5MHz，則外部的被動(dòng)元件能進(jìn)一步微縮，節(jié)省PCB面積。晶片級(jí)封裝的緊密布線性質(zhì)也有助于減少PCB面積的占用。

轉(zhuǎn)而采用2S電池組以及由DA9312實(shí)現(xiàn)的高整合電壓轉(zhuǎn)換策略，不僅是PCB面積，包括元件數(shù)目及PCB高度都能較既有的離散式解決方案縮減一半。這種方法顯示了將電源效率的生命周期納入考量，以及同時(shí)最佳化電源管理晶片及電池架構(gòu)所能帶來(lái)的好處。