談手機(jī)的電源管理設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法

　　隨著手機(jī)的功能越來(lái)越多，用戶對(duì)手機(jī)電池的能量需求也越來(lái)越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來(lái)越難以滿足消費(fèi)者對(duì)正常使用時(shí)間的要求。對(duì)此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開發(fā)具備更高能量密度的新型電池技術(shù)，如燃料電池;二是在電池的能量轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能方面下功夫。

　　為手機(jī)提供電能的技術(shù)在最近幾年雖有不少創(chuàng)新和發(fā)展，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足手機(jī)功能發(fā)展的需要，因此如何提高電源管理技術(shù)并延長(zhǎng)電池使用壽命，已經(jīng)成為手機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)之一。

　　同時(shí)，設(shè)計(jì)者還必須明白消費(fèi)者對(duì)手機(jī)的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，體積小。這要求提高系統(tǒng)的集成度，縮小元器件的封裝體積，減小PCB板的面積，這可能會(huì)增加設(shè)計(jì)中解決電磁干擾(EMI)的難度。第二，重量輕。要求使用高效能的電池，在有限的體積和重量下，提高電池的能量密度。目前大部分手機(jī)都使用單節(jié)鋰離子或鋰聚合物的電池，容量為850-1000mAH.第三，通話時(shí)間長(zhǎng)。要求提高工作時(shí)對(duì)電池中電能的轉(zhuǎn)換效率，減少待機(jī)時(shí)的漏電電流，提高使用效率。第四，價(jià)格便宜。要求產(chǎn)品的方案集成度高，分立器件少而且成本低廉。第五，產(chǎn)品更新快。要求元器件簡(jiǎn)單易用、便于設(shè)計(jì)使用，硬件軟件平臺(tái)統(tǒng)一，便于增加新的功能和特色。

　　因此，手機(jī)的電源管理要在進(jìn)行手機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮，平衡省電、成本、體積和開發(fā)時(shí)間等多種因素，進(jìn)行最佳選擇?？偟膩?lái)講，可以從提高電能的轉(zhuǎn)化效率和提高電能的使用效率兩方面著手進(jìn)行手機(jī)的整體電源管理。

　　一、提高電能的轉(zhuǎn)化效率

　　隨著對(duì)電源管理要求的不斷提高，手持設(shè)備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開關(guān)式電源。但并非開關(guān)電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，適用于不同的場(chǎng)合。

　　線性電源

　　LDO具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點(diǎn)。在輸出電流較小時(shí)，LDO的成本只有開關(guān)電源的幾分之一。LDO的封裝從SOT23到SC70、QFN，直至WCSP晶圓級(jí)芯片封裝，非常適合在手持設(shè)備中使用。對(duì)于固定電壓輸出的使用場(chǎng)合，外圍只需2到3個(gè)很小的電容即可構(gòu)成整個(gè)方案。

　　超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢(shì)。但LDO的缺點(diǎn)是低效率，且只能用于降壓的場(chǎng)合。LDO的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比：η=Vout/Vin.在輸入電壓為3.6V(單節(jié)鋰電池)的情況下，輸出電壓為3V時(shí)，效率為90.9%，而在輸出電壓為1.5V時(shí)，效率則下降為41.7%.這樣低的效率在輸出電流較大時(shí)，不僅會(huì)浪費(fèi)很多電能，而且會(huì)造成芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　開關(guān)式電源

　　電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲(chǔ)能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉(zhuǎn)的功能。

　　電感式開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。在產(chǎn)品工作時(shí)主要的電能損耗包括：內(nèi)置或外置MOSFET的導(dǎo)通損耗，主要與占空比和MOSFET的導(dǎo)通電阻有關(guān);動(dòng)態(tài)損耗，包括高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關(guān)頻率有關(guān);靜態(tài)損耗，主要與IC內(nèi)部的漏電流有關(guān)。

　　在電流負(fù)載較大時(shí)，這些損耗都相對(duì)較小，所以電感式開關(guān)電源可以達(dá)到95%的效率。但是在負(fù)載較小時(shí)，這些損耗就會(huì)相對(duì)變得大起來(lái)，影響效率。這時(shí)一般通過(guò)兩種方式降低導(dǎo)通損耗和動(dòng)態(tài)損耗，一是PWM模式：開關(guān)頻率不變，調(diào)節(jié)占空比。二是PFM模式：占空比相對(duì)固定，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

　　電感式開關(guān)電源的缺點(diǎn)在于電源方案的整體面積較大(主要是電感和電容)，輸出電壓的紋波較大。在PCB布板時(shí)必須格外小心以避免電磁干擾(EMI)。

　　為了減小對(duì)大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開關(guān)頻率是非常有效的辦法。

　　電容式開關(guān)電源

　　電荷泵是利用電容作為儲(chǔ)能元件，其內(nèi)部的開關(guān)管陣列控制著電容的充放電。為了減少由于開關(guān)造成的EMI和電壓紋波，很多IC中采用雙電荷泵的結(jié)構(gòu)。電荷泵同樣可以完成升壓、降壓和反轉(zhuǎn)電壓的功能。

　　由于電荷泵內(nèi)部機(jī)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時(shí)，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達(dá)90%以上。但是效率會(huì)隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化，有時(shí)效率也可低至70%以下。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)盡量利用電荷泵的最佳轉(zhuǎn)換工作條件。

　　由于儲(chǔ)能電容的限制，輸出電壓一般不超過(guò)輸入電壓的3倍，而輸出電流不超過(guò)300mA.電荷泵特性介于LDO和電感式開關(guān)電源之間，具有較高的效率和相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。

　　二、提高電能的使用效率

　　在手機(jī)中，減少能量的浪費(fèi)、將盡量多的可用電能用于實(shí)際需要的地方，是省電的關(guān)鍵。

　　手持設(shè)備電源系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)