一種優(yōu)化便攜式設(shè)備的電源系統(tǒng)

引言

　　便攜式電子設(shè)備在我們的日常生活中占據(jù)重要地位，大多數(shù)消費(fèi)者至少擁有一部手機(jī)，通常至少還有一部其它設(shè)備。各種便攜式設(shè)備已成為電源管理市場的重要推動(dòng)力量。

　　便攜式設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)必須滿足對(duì)最大處理能力的需求，并且不產(chǎn)生過多的熱量。而即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源工程師，設(shè)計(jì)電池供電的多電壓電源系統(tǒng)也一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。不僅如此，更加困難的是還需要找到一種對(duì)電源管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和集成的方法，以滿足外形尺寸更小、功能更強(qiáng)和性能更高的需求。

　　利用高度集成的電源管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可確保電源系統(tǒng)的所有元件以最佳的方式協(xié)同工作，并降低電池消耗。在便攜式設(shè)計(jì)中，可通過為應(yīng)用系統(tǒng)選擇最佳的系統(tǒng)電壓和采用合適的電源元件使電源系統(tǒng)得到優(yōu)化。

　　續(xù)航時(shí)間

　　續(xù)航時(shí)間(電池重新充電之前便攜式設(shè)備能夠在電池供電下工作的時(shí)間)是由電池容量、電源系統(tǒng)的效率等因素及軟件電源管理能力決定的。如果電源系統(tǒng)的所有元件能協(xié)同工作來降低電池消耗，就可延長續(xù)航時(shí)間。早期的手機(jī)使用鎳鎘電池和4個(gè)低壓差穩(wěn)壓器(LDO)可使通話時(shí)間達(dá)到1小時(shí)左右，但在更新款的中高端手機(jī)中，同種類型的電池系統(tǒng)只能提供5~10分鐘的通話時(shí)間。今天的便攜式應(yīng)用要求從電池獲得更多的能量，但電路板空間十分有限，這使得電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。

　　布線與成本

　　具有音頻、電池充電、通信、管理軟件和照明功能等二十多個(gè)電源域的高度集成的電源管理系統(tǒng)目前廣泛用于便攜式應(yīng)用。對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)師而言，由于元件分布在便攜式設(shè)備中各個(gè)位置上，如何安排從每個(gè)電源到元件的布線是一個(gè)挑戰(zhàn)。負(fù)載往往放置在遠(yuǎn)離電源管理芯片(PMIC)的地方，這不但給PCB布線帶來困難，而且會(huì)造成線電壓波動(dòng)和電源線噪聲增大。在負(fù)載點(diǎn)(POL)使用穩(wěn)壓器有助于降低線電壓波動(dòng)和噪聲，但PMIC本身的功耗也可能帶來問題。隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展，“使用單一大型PMIC滿足所有需求”的設(shè)計(jì)思想已無法滿足互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器等新型高耗電應(yīng)用的需求。此外，對(duì)于簡單的單語音應(yīng)用，由于電源的許多部分將不會(huì)被用到，大型PMIC可能因大材小用而增加不必要的系統(tǒng)成本。外圍電源產(chǎn)品可輔助PMIC提高系統(tǒng)效率。

　　功耗

　　對(duì)于便攜式設(shè)備，功耗已成為最重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著對(duì)計(jì)算能力需求的不斷提高，基于微處理器的高速便攜式設(shè)備持續(xù)增長，今天的一些便攜式設(shè)備的處理能力大約相當(dāng)于2000年的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，如此高的性能需求將大大縮短電池續(xù)航時(shí)間。例如，運(yùn)行于智能電話、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)和便攜式醫(yī)療設(shè)備等各種超便攜式設(shè)備中的復(fù)雜專用軟件需要非常高的時(shí)鐘速度。這些設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)的要求與智能手機(jī)非常相似，如一些醫(yī)療設(shè)備利用蜂窩或802.11數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)的病人監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)架構(gòu)師必須設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間長的系統(tǒng)來滿足任務(wù)要求。這些功能強(qiáng)大的應(yīng)用需使用高耗電處理器，進(jìn)一步縮短了系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。在功耗和電池續(xù)航能力之間尋求平衡是便攜式系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮。降低處理器速度可減少功耗并延長電池的運(yùn)行時(shí)間，但軟件性能也會(huì)隨之降低。系統(tǒng)架構(gòu)師必須為應(yīng)用系統(tǒng)選擇最合適的處理器速度，以提供最佳的用戶體驗(yàn)。

　　解決之道

　　如圖1所示，便攜式系統(tǒng)通常包含下列部分或全部組件：電池、充電器、微處理器、用于人機(jī)接口的按鈕或滾動(dòng)條、存儲(chǔ)器(SDRAM、閃存、微硬盤)、顯示器、LED照明和音頻。從互聯(lián)網(wǎng)上能找到的各種產(chǎn)品拆解報(bào)告可看出，便攜媒體播放器、便攜導(dǎo)航系統(tǒng)、智能電話、數(shù)碼相機(jī)及醫(yī)療設(shè)備有很大的相似性。ADI公司的便攜式電源器件可工作在所有便攜式平臺(tái)上，并可根據(jù)外圍電源POL的需求添加到系統(tǒng)中。

　　降低處理器速度可降低功耗并延長電池的運(yùn)行時(shí)間，但同時(shí)也降低了軟件性能。系統(tǒng)架構(gòu)師必須在滿足關(guān)鍵性能要求的同時(shí)盡量降低功耗。使用高效DC-DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)LDO可提高系統(tǒng)效率并延長電池續(xù)航時(shí)間，進(jìn)而解決這些問題。對(duì)于輸出電壓隨著放電過程下降的應(yīng)用，圖2所示的使用ADP2108降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)ADP170 LDO的系統(tǒng)可延長電池續(xù)航時(shí)間。下面針對(duì)兩種情形來比較一下該系統(tǒng)與簡單LDO的效率。

　　情形1：LDO直接與電池相連。LDO效率=[(Vout×Iout)/((Vin×(Iout+Iq))]×100%。Iq同Iout相比很小，在此忽略。因而，LDO的效率約等于Vo/Vin×100%。對(duì)于可充電鋰離子電池，可用的輸出電壓范圍為3.0V~4.2V。系統(tǒng)將在電壓為3V時(shí)關(guān)斷。當(dāng)Vbat=4.2V時(shí)，LDO效率=(2.3/4.2)×100%=55%;當(dāng)Vbat=3.6V時(shí)，LDO效率為64%;當(dāng)Vbat=3.0V時(shí)，LDO效率為77%。請(qǐng)注意，輸入電壓越接近輸出電壓，效率越高。在電池放電過程中，有20%的工作時(shí)間平均效率約為55%，有60%的工作時(shí)間平均效率為64%，另有20%的工作時(shí)間平均效率為77%。而對(duì)于LDO直接連接到電池的電路，整個(gè)工作時(shí)間的平均效率為65%。

　　情形2：使用ADP2108降壓型穩(wěn)壓器和ADP170 LDO完成二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換(見圖2)。無論電池電壓為多少，降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓均保持在2.5V。因而，LDO效率恒等于(2.3/2.5)×100%=92%?？墒褂肁nalog Buck Designer工具來計(jì)算ADP2108的效率。

　　在輸入電壓范圍內(nèi)和300mA負(fù)載電流下，ADP2108的效率平均在90%以上。因此，該系統(tǒng)的效率(ηeff)=(ηDC×ηLDO)×100%=(0.9×0.92)×100%=83%。使用降壓型穩(wěn)壓器和LDO可將系統(tǒng)效率從56%提高到83%，比簡單LDO提高了28%。如果把這種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到具有多個(gè)電源軌的便攜式系統(tǒng)中，由于提高了各個(gè)負(fù)載的效率，整個(gè)系統(tǒng)的效率將會(huì)相應(yīng)提高，并大大延長電池的續(xù)航時(shí)間。

　　即使不考慮電池續(xù)航時(shí)間，LDO的功耗仍是一個(gè)問題。未提供給負(fù)載的功率在LDO中以散熱的形式耗散掉。耗散掉的功率估計(jì)為：PD=(VIN-VOUT)×IOUT。對(duì)情形1的最壞情況，Vin=4.2V，PD=570mW。這意味著當(dāng)把充滿電的電池連接到LDO時(shí)，超過0.5W的功率以散熱形式浪費(fèi)掉，并導(dǎo)致便攜式設(shè)備溫度上升。如果設(shè)計(jì)人員使用這種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的所有電源，設(shè)備將很快耗盡電池電能，盡管在冬天它可能是非常不錯(cuò)的暖手器。

　　結(jié)語

　　綜上所述，系統(tǒng)架構(gòu)師可通過為應(yīng)用選擇最合適的系統(tǒng)電壓、使用恰當(dāng)?shù)碾娫丛⑼ㄟ^使電源系統(tǒng)的所有元件協(xié)同工作來降低電池消耗。