優(yōu)化電池設計，延長(cháng)移動(dòng)設備電池續航時(shí)間

摘要：電池續航時(shí)間是移動(dòng)計算市場(chǎng)上的核心競爭力之一，這涉及兩個(gè)方面：一是每次充電后系統能支持多長(cháng)使用時(shí)間，二是系統在產(chǎn)品使用壽命內的每個(gè)充電周期都能提供一致的使用能力。通過(guò)結合使用2S電池組和由DA9312所支持的高集成度電壓轉換策略，與現有分立解決方案相比，不僅有可能使PCB面積減半，還有可能使元件數量和PCB高度減半。

　　移動(dòng)計算市場(chǎng)發(fā)展非常迅速，各生產(chǎn)商為爭奪市場(chǎng)份額紛紛展開(kāi)激烈競爭。競爭的其中一項關(guān)鍵點(diǎn)是電池續航時(shí)間，這涉及兩個(gè)方面：一是每次充電后系統能支持多長(cháng)使用時(shí)間，二是系統在產(chǎn)品使用壽命內的每個(gè)充電周期都能提供一致的使用能力(圖1)。

　　移動(dòng)設備內部計算元器件如今被廣泛采用在從可穿戴設備到筆記本電腦等眾多應用中(圖2)，但電池容量與元器件的發(fā)展速度并不相同，因此生產(chǎn)商都在探索各種方法對電池進(jìn)行配置，以便盡可能從現有的電池技術(shù)中獲得更多電量。電池配置和系統架構的協(xié)同優(yōu)化，為生產(chǎn)商提供更大功率效率、進(jìn)而提供更長(cháng)電池續航時(shí)間提供了一條康莊大道。

　　目前的一個(gè)主要問(wèn)題是現在的處理器和系統級芯片(SoC)芯片在低電壓條件下的高功率需要，這會(huì )導致高峰值電流需求。需要最大電流的時(shí)間可能很短，但其對系統一次充電能運行多長(cháng)時(shí)間和總使用壽命有很大的影響。

　　今天的SoC迫使系統設計工程師在他們的電池解決方案中選擇高電流放電率。提高SoC能效的需要促使他們降低內核電壓——現已大幅降至1V以下。通常，當輸入與輸出電壓比處于低水平時(shí)，向這些器件供電的降壓轉換器具有更高的工作效率，這使得看上去低壓電池配置可提供更低的功率損耗，從而幫助確保系統一次充電運行更長(cháng)時(shí)間。但使用低供電電壓會(huì )導致電池組提供更大電流。

　　高放電速度下的反復電量損耗會(huì )顯著(zhù)降低電池的有效容量。為此，電池生產(chǎn)商都針對其產(chǎn)品在規定循環(huán)壽命下的最大放電速度給出了建議。

　　在2A平均放電電流下，電池在500個(gè)充放電循環(huán)后，還能充滿(mǎn)其額定容量的95% 以上。在20A平均放電電流下，該有效容量會(huì )降到僅70%，從而限制電池的使用壽命。在舊式設計中，電池常?？梢愿鼡Q。但生產(chǎn)商由于希望向用戶(hù)提供更長(cháng)的一次充電可運行時(shí)間，越來(lái)越傾向于使用不容易更換的嵌入式電池。

　　嵌入式電池方案為生產(chǎn)商提供了更多途徑來(lái)增加其產(chǎn)品的額外電池容量。一些可翻轉式平板電腦設計將電池嵌入平板電腦和鍵盤(pán)模塊的多個(gè)位置，以提供比使用單個(gè)可拆卸電池組更高的總容量。因此，嵌入式電池解決方案在可使用周期內的容量變得日益重要。

　　電池單元的布置方式可決定輸出電壓和峰值電流額定值，因而電池配置常常以電池單元的布置方式來(lái)表示。電池單元可能采用并聯(lián)(p)布線(xiàn)，這時(shí)的總峰值電流輸出等于一個(gè)單元的輸出乘以并聯(lián)布線(xiàn)中的單元數量。2P 配置能夠有效地使電流加倍。相反，在采用串聯(lián)(s)布線(xiàn)中，輸出電壓將會(huì )增加，2S配置可使輸出電壓加倍。有些系統(特別是筆記本電腦)使用混合布線(xiàn)，如3S2P配置。較小的系統常常使用1S、2S或3S布線(xiàn)。

　　對許多設計而言，針對鋰聚合物電池的2S配置可支持生產(chǎn)商想要的封裝選項，以及對越來(lái)越多的便攜式系統的電壓兼容性，從高端智能手機到平板手機和可翻轉式平板電腦，再到筆記本電腦。對于筆記本電腦，比舊式3S和4S更低的電壓可與今天的內核電壓進(jìn)行更好的兼容，而且不會(huì )導致電池組放電率過(guò)高的問(wèn)題。對于較大的智能手機設計，該電壓水平有助于確保峰值電流消耗維持在不影響長(cháng)期電池容量范圍之內，并適合當前的輕薄外形設計。

　　盡管智能手機設計中的較高電壓可能看似不符合生產(chǎn)商對更長(cháng)電池壽命的要求，但通過(guò)改變供電策略可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。雖然降壓轉換器會(huì )在輸入和輸出電壓之比增加時(shí)在效率上受到影響，但增加預穩壓步驟可使降壓電路中的損耗保持較低水平，還可提供與2S解決方案的較高電壓的兼容性。

　　解決方法是采用固定比率電源轉換器架構——把2S電池組名義上的7.2V電壓對半減至3.6V，而3.6V則完全在現有降壓轉換器的高效轉換范圍之內。除了支持高效轉換策略，使用此類(lèi)電源轉換器還意味著(zhù)，針對1S配置的降壓轉換器能夠輕松地被再次用于圍繞 2S 電池組而進(jìn)行的設計，從而縮短新品上市時(shí)間。

　　例如，Dialog的DA9312(圖3)中的電源轉換器，從非常低的電流到最大電流10A均能提供平穩的效率曲線(xiàn)。與現有降壓轉換器一起使用時(shí)，附加的電壓轉換只會(huì )帶來(lái)些許額外損耗，這完全可以通過(guò)使用一個(gè)2S電池組運行大量低壓降壓轉換器而帶來(lái)的壽命優(yōu)勢得到彌補。

　　2S電池組的輸出電壓可直接與為外設(如USB和其他接口)供電的降壓轉換器進(jìn)行連接，這些外設需要的電壓高于內核邏輯使用的電壓，以便兼容外圍電路。DA9312這類(lèi)器件利用了2S配置的這個(gè)優(yōu)勢，通過(guò)集成兩個(gè)降壓轉換器并配上它們的功率FET。

　　為支持這些較高電壓接口上的高峰值容量，兩個(gè)降壓轉換器可采用雙相策略作為一對轉換器來(lái)運行。在電源轉換器向外部?jì)群诉壿嫿祲恨D換器或系統PMIC提供10A電流以外，雙相拓撲允許再額外提供最大10A的峰值電流。

　　因為可將多個(gè)電壓轉換器的功能集成在一個(gè)封裝之中，從而得到一種更小的整體電源管理解決方案。在目前的設計中，PCB板的面積一大部分專(zhuān)用于電源管理。在有些最新設計中可達到PCB面積的40%，這在很大程度上是由于SoC器件集成度的不斷提高。通過(guò)使用超高集成度的SoC來(lái)為電池提供更多電路板空間，PCB本身也在逐漸縮小。那么遵循相同的SoC趨勢，電源管理電路本身也可以縮小，并為增加電池容量提供更多機會(huì )。

　　DA9312使用的電壓轉換器拓撲的另一優(yōu)勢是，無(wú)需外部電感，只需電容就可以運行。這不僅可以節省電路板空間，還提高了系統生產(chǎn)商提供超薄產(chǎn)品的能力。由于需要線(xiàn)圈，電感難以制作成較薄外形。但是電容的尺寸和形狀具有較大的靈活性。使用高開(kāi)關(guān)頻率，例如兩個(gè)降壓轉換器使用的1.5MHz，外部無(wú)源器件可以進(jìn)一步縮小，以節省PCB空間。芯片級封裝的使用旨在支持緊湊的布線(xiàn)，同時(shí)幫助減少占用PCB面積。

　　通過(guò)結合使用2S電池組和由DA9312所支持的高集成度電壓轉換策略，與現有分立解決方案相比，不僅有可能使PCB面積減半，還有可能使元件數量和PCB高度減半。此方法證明了將生命周期電源效率納入考慮，并將電源管理芯片與電池架構進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的好處。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第71頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。