平衡效率和尺寸—便攜式產品電源管理所面臨的挑戰(zhàn)

效率和解決方案的尺寸，是與電池供電手持設備的電源管理解決方案密切相關的兩大因素。不過，以我的經驗來看，它們卻很少被手持設備設計人員或者最終用戶所關注。有多少次我們聽到或者談論“該電源解決方案的效率為95％”？我承認，我也在很多次拜訪客戶時使用這句話作為開場白。然而，我們又有多少次思考過“95％的效率”對于系統(tǒng)設計人員意味著什么呢？讓我們從高效率電源調節(jié)的重要性開始討論吧。

區(qū)分電源調節(jié)的優(yōu)先級

理想上，手持設備設計人員都愿意在自己的設計中為每種應用選用最高效率的解決方案。然而，更高效的電源調節(jié)通常意味著更大的解決方案尺寸，更長的材料清單以及更高的成本。相反地，手持設備行業(yè)的發(fā)展趨勢卻是更低的成本以及更小的外形因子，因此，手持設備設計人員不得不區(qū)分優(yōu)先級，權衡輕重。

首先處理手持設備中最耗電的部分是十分重要的。比如，使用開關電源為最大功耗約20mW的1.8V閃存供電將是個不錯的方案。但由于其本身耗電很少，效率90％的開關電源與效率50％的LDO相比，在電池壽命上只有微不足道的改善。

相反，低效率的背光顯示解決方案功耗有可能高達2W，毫無疑問將損及器件的壽命。于是，第一步是確認最恰當的部分，作為高效率電源調節(jié)的目標。作為一個電源解決方案提供商，我非常愿意幫助我的客戶解決最困擾他們的問題。但是提供電源調節(jié)僅僅是第一步。挑戰(zhàn)在于如何使電池的能量盡可能地持久。

盡可能減小能量消耗

能量定義為功率和時間的乘積。因此，讓使用時間最長的部件的運行功耗盡可能地小，這一點就相當重要。例如，手機的基帶處理器從不關斷，但差不多90％以上的時間它都處于待機模式下。選擇一款具有超低漏電流（幾十微安）的電源IC可以使手機的工作時間最大限度地延長。

節(jié)能的另一個策略是盡量減少系統(tǒng)中能量轉換的次數，或者是盡量減少電池和終端應用之間的電源IC的數目。一款效率為90％的變壓器依然會浪費掉10％的能量。如果在電源通路中使用了兩個這樣的電源IC，調節(jié)的真正效率只有81％（0.9 x 0.9），這還沒有考慮電感等無源元件的額外功耗。

這就是創(chuàng)新之關鍵所在。設計人員常常把注意力放在他們的具體應用上，但忽視了電源設計。電源應用專家卻能夠在使用相同變壓器的條件下，通過優(yōu)化系統(tǒng)能效的配置來改善這種情況。 舉例講，有時需要分別利用一個升壓型和降壓型變壓器，讓電壓先步升然后再步降。而更好的解決方案是使用一款降壓-升壓型變壓器，在一步內同時完成這兩種模式。

優(yōu)化電路板空間

至于設計方案的尺寸，小尺寸電源IC并不一定意味著解決方案本身具有小尺寸。我們必須確保電容和電感等無源元件同時得到了優(yōu)化。此外，我的一個經驗法則是，對于手持設備解決方案，在關鍵路徑的x、y或z方向上，電源IC不能是最大的元件。

每個電源IC提供商以及用戶都知道，效率和設計解決方案尺寸對于手持設備設計至關重要。實際上，這兩大因素應該被視為下一代手持設備設計的首要條件。那么，電源管理器件還應該具備哪些特性呢？

一個因素是易于使用。手持設備設計人員不是電源專家，他們更喜歡簡單些的解決方案。例如，使用無電感的電荷泵開關變壓器比使用磁元件的解決方案進行設計更簡單，因為設計人員不需要處理因電感而造成的更大尺寸，額外布局時間，當然也無需處理電感產生的噪聲問題。

有必要為那些單干的設計人員們提供相關的開發(fā)工具和應用手冊，他們正在孤軍奮戰(zhàn)，試圖成功開發(fā)出下一個類似iPod的產品呢。設計工具在便攜市場一直被忽略，因為廠商資源主要都集中在為大型OEM客戶提供直接支持上。我們需要更多的專用軟件和網絡工具資源來幫助大批手持設備設計人員。

手持設備市場具有非?？量痰拈_發(fā)周期要求，以適應消費者不斷變化的需求。因此，攜式設備設計人員更喜歡能夠減少設計時間的IC。一個手持設備設計解決方案是一個動態(tài)的實體，需不斷地自我校正以提供最新的功能和應用。這意味著，需要新的電壓軌以及輸出電流值。對于設計人員來說，每次都需要尋找新的電源解決方案、對之進行評估、重新設計電路板、測試新系統(tǒng)，是很沒有效率的事。

另一重要因素是電源IC應具有一定程度的可配置性。數字接口，例如I2C，可以幫助設計人員改變電壓和電流等其它參數。然而，I2C接口需要編寫額外的軟件，這對于消費類電子設計來講是相當罕見的。因此，我們必須在模擬接口開發(fā)方面進行創(chuàng)新，讓設計人員能夠修改自己的解決方案，或更甚之，我們必須提供能夠適應最終應用不斷變化的需求的電源解決方案。

傳統(tǒng)的電源變壓器規(guī)格，比如效率，已經接近一個飽和值。投資把開關變壓器的效率從95％提高到96％好處甚少。而手持設計人員面臨的主要電源挑戰(zhàn)仍然沒有解決。如今有些非常好的電源管理IC，只要它們針對恰當的問題，對系統(tǒng)設計人員就極為有用。

另外，對于電源管理專家，有著很多的機會去定義新的器件，以支持更高性能的手持設備。下一代手持電源管理IC將不僅僅是高效率的電源變壓器，更是卓越的問題解決者。



作者：Vik Sangha，

高級營銷工程師

美國國家半導體公司