一種優(yōu)化便攜式設備的電源系統

引言

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

　　便攜式設備電源系統設計

　　面臨的挑戰

　　便攜式設備的設計必須滿(mǎn)足對最大處理能力的需求，并且不產(chǎn)生過(guò)多的熱量。而即使對于經(jīng)驗最豐富的電源工程師，設計電池供電的多電壓電源系統也一直是一個(gè)挑戰。不僅如此，更加困難的是還需要找到一種對電源管理系統進(jìn)行優(yōu)化和集成的方法，以滿(mǎn)足外形尺寸更小、功能更強和性能更高的需求。

　　利用高度集成的電源管理系統，設計人員可確保電源系統的所有元件以最佳的方式協(xié)同工作，并降低電池消耗。在便攜式設計中，可通過(guò)為應用系統選擇最佳的系統電壓和采用合適的電源元件使電源系統得到優(yōu)化。

　　續航時(shí)間

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

　　布線(xiàn)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目前廣泛用于便攜式應用。對于系統架構師而言，由于元件分布在便攜式設備中各個(gè)位置上，如何安排從每個(gè)電源到元件的布線(xiàn)是一個(gè)挑戰。負載往往放置在遠離電源管理芯片(PMIC)的地方，這不但給PCB布線(xiàn)帶來(lái)困難，而且會(huì )造成線(xiàn)電壓波動(dòng)和電源線(xiàn)噪聲增大。在負載點(diǎn)(POL)使用穩壓器有助于降低線(xiàn)電壓波動(dòng)和噪聲，但PMIC本身的功耗也可能帶來(lái)問(wèn)題。隨著(zhù)便攜式設備的發(fā)展，“使用單一大型PMIC滿(mǎn)足所有需求”的設計思想已無(wú)法滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器等新型高耗電應用的需求。此外，對于簡(jiǎn)單的單語(yǔ)音應用，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成本。外圍電源產(chǎn)品可輔助PMIC提高系統效率。

　　功耗

　　對于便攜式設備，功耗已成為最重要的設計挑戰。隨著(zhù)對計算能力需求的不斷提高，基于微處理器的高速便攜式設備持續增長(cháng)，今天的一些便攜式設備的處理能力大約相當于2000年的臺式計算機，如此高的性能需求將大大縮短電池續航時(shí)間。例如，運行于智能電話(huà)、便攜式媒體播放器、數碼相機、個(gè)人導航系統和便攜式醫療設備等各種超便攜式設備中的復雜專(zhuān)用軟件需要非常高的時(shí)鐘速度。這些設備對電源系統的要求與智能手機非常相似，如一些醫療設備利用蜂窩或802.11數據網(wǎng)絡(luò )將數據傳送給醫生，實(shí)現全天候連續的病人監護。系統架構師必須設計續航時(shí)間長(cháng)的系統來(lái)滿(mǎn)足任務(wù)要求。這些功能強大的應用需使用高耗電處理器，進(jìn)一步縮短了系統的續航時(shí)間。在功耗和電池續航能力之間尋求平衡是便攜式系統的一個(gè)關(guān)鍵的設計考慮。降低處理器速度可減少功耗并延長(cháng)電池的運行時(shí)間，但軟件性能也會(huì )隨之降低。系統架構師必須為應用系統選擇最合適的處理器速度，以提供最佳的用戶(hù)體驗。

　　解決之道

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

　　降低處理器速度可降低功耗并延長(cháng)電池的運行時(shí)間，但同時(shí)也降低了軟件性能。系統架構師必須在滿(mǎn)足關(guān)鍵性能要求的同時(shí)盡量降低功耗。使用高效DC-DC轉換器來(lái)驅動(dòng)LDO可提高系統效率并延長(cháng)電池續航時(shí)間，進(jìn)而解決這些問(wèn)題。對于輸出電壓隨著(zhù)放電過(guò)程下降的應用，圖2所示的使用ADP2108降壓型DC-DC轉換器來(lái)驅動(dòng)ADP170 LDO的系統可延長(cháng)電池續航時(shí)間。下面針對兩種情形來(lái)比較一下該系統與簡(jiǎn)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。系統將在電壓為3V時(shí)關(guān)斷。當Vbat=4.2V時(shí)，LDO效率=(2.3/4.2)×100%=55%;當Vbat=3.6V時(shí)，LDO效率為64%;當Vbat=3.0V時(shí)，LDO效率為77%。請注意，輸入電壓越接近輸出電壓，效率越高。在電池放電過(guò)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降壓型穩壓器和ADP170 LDO完成二級電壓轉換(見(jiàn)圖2)。無(wú)論電池電壓為多少，降壓穩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(lái)計算ADP2108的效率。

　　在輸入電壓范圍內和300mA負載電流下，ADP2108的效率平均在90%以上。因此，該系統的效率(ηeff)=(ηDC×ηLDO)×100%=(0.9×0.92)×100%=83%。使用降壓型穩壓器和LDO可將系統效率從56%提高到83%，比簡(jiǎn)單LDO提高了28%。如果把這種節能技術(shù)應用到具有多個(gè)電源軌的便攜式系統中，由于提高了各個(gè)負載的效率，整個(gè)系統的效率將會(huì )相應提高，并大大延長(cháng)電池的續航時(shí)間。

　　即使不考慮電池續航時(shí)間，LDO的功耗仍是一個(gè)問(wèn)題。未提供給負載的功率在LDO中以散熱的形式耗散掉。耗散掉的功率估計為：PD=(VIN-VOUT)×IOUT。對情形1的最壞情況，Vin=4.2V，PD=570mW。這意味著(zhù)當把充滿(mǎn)電的電池連接到LDO時(shí)，超過(guò)0.5W的功率以散熱形式浪費掉，并導致便攜式設備溫度上升。如果設計人員使用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現系統中的所有電源，設備將很快耗盡電池電能，盡管在冬天它可能是非常不錯的暖手器。

　　結語(yǔ)

　　綜上所述，系統架構師可通過(guò)為應用選擇最合適的系統電壓、使用恰當的電源元件并通過(guò)使電源系統的所有元件協(xié)同工作來(lái)降低電池消耗。