電池管理技術(shù)應用

對于由可充電電池供電的復雜便攜式設備,如數碼相機、PDA及手機的使用者來(lái)說(shuō),更加關(guān)注的是較長(cháng)的電池使用時(shí)間。

由于PDA體積小,只能由一塊小電池來(lái)作為電源,對于市場(chǎng)選擇來(lái)說(shuō),具有較長(cháng)使用壽命的電池比較受歡迎。PDA的實(shí)際運行時(shí)間僅占一小部分,所以可通過(guò)電源管理技術(shù)來(lái)提高電池的使用時(shí)間。

一般說(shuō)來(lái),PDA從來(lái)不會(huì )完全斷電。和PC不一樣,電腦的程序都存儲在硬盤(pán)上,當系統啟動(dòng)時(shí),程序被裝載到主存里執行,而PDA由于沒(méi)有硬盤(pán)驅動(dòng),所以在啟動(dòng)系統時(shí),使用者不需要等待較長(cháng)時(shí)間?？瓷先ヌ幱陉P(guān)斷狀態(tài)的PDA,其實(shí)系統處于開(kāi)機狀態(tài),且立即就能完全運行所有功能。

PDA的程序和數據都存儲在帶電的易失性存儲器上,當不需要調用數據時(shí),存儲器幾乎不消耗電池功率。在不執行操作時(shí),處理器處于深睡眠模式而不消耗功率。所有其它的功能,如音頻、背光照明以及顯示等都被關(guān)閉,電源管理電路提供喚醒處理器和存儲器的激活電壓,并且吸收一個(gè)非常小的電流。

即使是處于離線(xiàn)狀態(tài)的PDA,實(shí)際上它仍處于開(kāi)機狀態(tài),因此當系統處于離線(xiàn)狀態(tài)時(shí),必須具有非常高的效率,這就要求設計電源管理電路的調節器時(shí),靜態(tài)電流保持在幾mA的范圍內,而工作電流保持在幾百mA。

即使是在運行期間,大部分時(shí)間內也只有顯示器處于上電狀態(tài),一旦操作執行完成,處理器將復位大部分功能到睡眠模式(如圖1所示)。所有數據被保留,同時(shí)顯示處于激活狀態(tài)(提供操作外觀(guān)界面),而處理器等待來(lái)自顯示功能的下一個(gè)中斷。

實(shí)際上,在PDA應用中,最大的功耗節省來(lái)自于處理器的睡眠模式和空閑期間不訪(fǎng)問(wèn)存儲器,其它的節省來(lái)自于空閑期間采用向后調整處理器時(shí)鐘頻率。這樣,喚醒功能塊的開(kāi)關(guān)激活電流可以降低,另外將處理器和存儲器的電壓向后調整至剛好可以保持數據激活的狀態(tài),也可以降低靜態(tài)的漏電流。

當檢測到筆在觸摸屏上的動(dòng)作時(shí),處理器被喚醒并保持時(shí)鐘全速運行,發(fā)送命令給電源管理電路,將電壓動(dòng)態(tài)調整至滿(mǎn)量程值,執行所有需要的操作,然后立即返回到睡眠模式。在執行每個(gè)任務(wù)的過(guò)程中,如查詢(xún)地址、寫(xiě)備忘錄,所需要的時(shí)間也就數毫秒,整個(gè)設備(除去顯示)在99%的時(shí)間中都處于高效的離線(xiàn)狀態(tài)。其它的輔助功能,如立體聲音頻、數碼相機、添加內存卡、無(wú)線(xiàn)連接等都可以處于掉電模式。

當許多分立元件或者單功能的IC需要提供無(wú)法嵌入到處理器中的功能時(shí),采用高度集成的電源管理芯片,大部分不在處理器中的模擬功能都可以被集成在一塊IC中,從而可以降低元件數并優(yōu)化電源管理任務(wù)(如圖2所示)。

對于使用者來(lái)說(shuō),移動(dòng)電話(huà)通常處于三種狀態(tài)DD關(guān)機、待機或者接發(fā)信息。這些狀態(tài)下的功能明顯不同于PDA,它僅有兩個(gè)表象狀態(tài)DD開(kāi)機和關(guān)機。通常說(shuō)來(lái),當PDA看上去處于關(guān)機狀態(tài)時(shí),實(shí)際上是處于睡眠狀態(tài),而移動(dòng)電話(huà)的關(guān)機狀態(tài)代表的就是關(guān)機。當晶振、計數器以及時(shí)鐘計數器處于激活狀態(tài)時(shí),提供給存儲器和處理器的功率完全關(guān)斷。同時(shí)在移動(dòng)電話(huà)中也沒(méi)有降低保持激活電壓或者調整時(shí)鐘頻率的功能。

移動(dòng)電話(huà)的待機模式非常接近于PDA的開(kāi)機狀態(tài),在大部分的時(shí)間里,電話(huà)的處理器可以處于睡眠狀態(tài)而僅僅保持存儲器的電壓。RF、音頻、照明等都可以關(guān)閉,而顯示功能運行時(shí)只吸收極小的電流。

在系統不執行任何操作的大部分時(shí)間里有助于節省電池的使用時(shí)間,電話(huà)的處理器在大部分時(shí)間里都會(huì )關(guān)閉幾乎所有的功能。正如PDA觸摸屏的激勵也不能觸發(fā)中斷一樣,移動(dòng)電話(huà)的呼叫信號本身也不能觸發(fā)處理器的中斷。移動(dòng)電話(huà)的接收器必須不斷地打開(kāi)以監聽(tīng)來(lái)自基站發(fā)出的信號。

當處理器被喚醒時(shí),處理器中的計時(shí)模塊精確的記錄能運行的時(shí)間,并調用電話(huà)的接收器去檢查來(lái)自基站的信號、驗證信號的覆蓋范圍,以確定是否需要切換基站。同時(shí)還要檢查即將到來(lái)的呼叫信號。

GSM系統采用了斷續接收的原理,話(huà)機保持睡眠狀態(tài)并被周期性地喚醒。在一秒或者更多的時(shí)間里,系統可以喚醒電話(huà)并多次檢查呼叫信號,可以通過(guò)喚醒所需的平均消耗電流以及檢查一個(gè)呼叫所花費的時(shí)間來(lái)進(jìn)行折中。

加強型射頻電話(huà)的喚醒時(shí)間序列是相當復雜的。由于每次呼叫整個(gè)射頻部分都被打開(kāi),所以通過(guò)觸發(fā)不同子系統的打開(kāi)時(shí)間,在待機時(shí)間下的的測量可以得到改善。

當處理器被喚醒后,處理器必須打開(kāi)供給RF電路的直流電壓。首先調節合成器讓電源穩定,然后打開(kāi)接收器的模擬放大器部分,并指引它們執行自校準程序。天線(xiàn)的開(kāi)關(guān)設定到接收狀態(tài),同時(shí)射頻前端被打開(kāi)。使能DSP并開(kāi)始處理轉換過(guò)來(lái)的數字信號。只要接收到數據,射頻和模擬部分就被關(guān)閉,而DSP完成數據的解碼并確定如何處理。除非需要對數據進(jìn)行處理,否則處理器都將返回到睡眠狀態(tài),直到下一次數據的到來(lái)。

PDA在每一次觸摸之間可以返回到睡眠模式下,而電話(huà)在通話(huà)模式下的數據處理量是很大的。在GSM電話(huà)的每一次呼叫期間,除了接收脈沖次數更多而外,大約每秒200次左右,射頻電路的定時(shí)是相似的。對于GSM使用的時(shí)隙來(lái)說(shuō),接收器和發(fā)送器的射頻及模擬部分打開(kāi)的時(shí)間大約各占12%。很明顯在發(fā)送期間消耗的電流是最大的。

移動(dòng)電話(huà)中的其它電路,如音頻電路等都是通過(guò)呼叫來(lái)打開(kāi)的。由于使用者在任何時(shí)候都可能有通話(huà),所以麥克輸入信號的偏移、放大、數字通道等都必須連續運行。由于僅需把語(yǔ)音信號傳輸給使用者,所以從音頻接收到揚聲器的部分應可關(guān)閉和打開(kāi)。

為了避免在關(guān)閉和打開(kāi)直流電壓中的噼啪以及滴答聲,音頻放大器的模擬部分需要盡可能的保持連續打開(kāi)狀態(tài),以放大提示使用者還在連接的呼叫信號。但是當對方?jīng)]有說(shuō)話(huà)時(shí),數字信號轉換為模擬語(yǔ)音的處理過(guò)程就不需要了,這樣,DSP的運行就可以減慢以節約功耗。對于其它的功能,如照相、背光顯示或者閃爍的多顏色鍵盤(pán)燈都會(huì )消耗功率,所以設計時(shí)應保證效率的最優(yōu)化,并且應該僅在需要時(shí)才打開(kāi)。

處理器通過(guò)高速SPI總線(xiàn)發(fā)送命令,通過(guò)把電源調節器、音頻以及其它的電源管理功能集成到一塊IC中,芯片使能引腳的數目可以減小,只用一個(gè)命令就可以控制多個(gè)功能,從而可以降低使用的元器件數。