PDA電源系統的設計挑戰及解決方案

　　如今，由電池供電的PDA將遇到來(lái)自電源管理方面的嚴峻挑戰，因為各種能量饑渴型功能正不斷被添加到PDA上，而其電池工作時(shí)間仍需要保持在一個(gè)合理的水平上，并且電池體積和重量還要保持不斷變輕變小的趨勢。這就要求高效的能量轉換、電池充/放電周期的精確控制、以及盡可能多地采用省電運行模式。但即使采取了這些措施，PDA制造商仍在研制更高容量的電池，以滿(mǎn)足負載不斷增長(cháng)的要求。能量密度是電池選用考量的首要因素。鋰離子電池的能量密度由于比其最接近的競爭對手還高1倍，因此它實(shí)際上已經(jīng)成為所有PDA當仁不讓的選擇。

三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的電源管理技術(shù)探討

　　電源管理(PM)模塊負責整個(gè)PDA系統的電源供給和管理。圖1勾勒出了PM模塊的框架，PM模塊由電池管理、電壓管理和負載管理三個(gè)子模塊組成。

電池管理子模塊

　　電池管理子模塊負責電池的充電、保護和檢測，它的主要作用是優(yōu)化電池利用和延長(cháng)系統運行時(shí)間。其電路結構視所選的電池化學(xué)成分、容量和充/放電周期數而定。一旦確定了這些因素，電源架構設計師就可以選擇充電器拓樸結構(線(xiàn)性、PWM或脈沖模式)和電池保護方案。當輸入從AC電源適配器切換到電流有限制的USB總線(xiàn)電壓時(shí)，一個(gè)最近的考慮包括將嵌入式IC充電器重新配置到一個(gè)更低的充電速率(C-Rate)。

　　電能測量最初只是一項電池管理功能，但隨著(zhù)用戶(hù)越來(lái)越關(guān)心電池使用狀況，它也正在變成負載管理的一個(gè)組成部分。準確的電能測量需要對隨時(shí)間而變的電池充/放電電流進(jìn)行精準的測量，目前廣泛使用的基于電池放電曲線(xiàn)的電壓測量技術(shù)盡管成本很低，但已被證明不能準確反應電池使用狀況。也正因為這樣，像Intersil ISL6295這樣復雜的“電量計量”IC正在獲得越來(lái)越多的應用。

電壓管理子模塊

　　電壓管理子模塊主要執行分配和調節功能，它負責對未穩壓的電池電壓(鋰離子電池是3-4.2V)進(jìn)行高效的調節以滿(mǎn)足苛刻的負載要求。隨著(zhù)工作電壓低于2V的處理器的出現，線(xiàn)性穩壓器已經(jīng)不再適合用于處理器內核電壓的穩壓。

　　代之而起的是像Intersil的EL7536和 ISL6271這樣的全集成開(kāi)關(guān)穩壓器，它們在很寬的動(dòng)態(tài)負載范圍內都能有很高的轉換效率，從而可以用來(lái)對系統和內核處理器電壓進(jìn)行穩壓。線(xiàn)性穩壓器現已主要用于LDO(低壓降)轉換，并僅用來(lái)為存儲器、音頻和時(shí)鐘系統中的噪聲敏感電路提供電源。

負載管理子模塊

　　系統負載最少消耗掉電池容量的90%(剩余的10%消耗于能量轉換環(huán)節)，這一部分是延長(cháng)電池工作壽命和幫助實(shí)現先進(jìn)PDA性能的關(guān)鍵。CPU必須根據時(shí)鐘電路、Hi-Fi音頻功放、RF天線(xiàn)驅動(dòng)器、存儲器、擴展卡槽、處理器內核和顯示背光的活躍度和系統運行模式，恰到好處地依次對這些電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)。這種負載管理方式(通常稱(chēng)為“負載剝離”)不僅延長(cháng)了電池工作時(shí)間，而且還能確保電池不至陷入深度放電狀態(tài)。

電能計量

　　了解電池能量消耗情況的方法之一是對其進(jìn)行計量，而這正是電能計量IC(如Intersil的ISL6295)的主要功能。通過(guò)將一只很小的感應電阻與電池串接，ISL6295能夠通過(guò)累計某一時(shí)間段的電池電流流量(毫安-小時(shí))準確地算出消耗或補充的電能。ISL6295通過(guò)I2C串行總線(xiàn)記錄電壓、殘余電量、電流和溫度，它可用來(lái)監測單一的負載功耗，并幫助實(shí)現包括負載剝離和電池保護這樣的先進(jìn)電源管理功能。

背光電路是耗能大負載

　　雖然LCD背光提升了顯示的可讀性，但它也消耗了大量的電池能量。常用的3種LCD顯示背光技術(shù)是：EL(電致發(fā)光)、LED(發(fā)光二極管)和CCFL(冷陰極熒光燈)。EL和 CCFL背光需要一個(gè)高電壓DC/AC逆變器，而LED背光需要一個(gè)容性或感性升壓轉換器來(lái)驅動(dòng)一組并行或串行白色LED?？紤]一個(gè)典型的4個(gè)LED串聯(lián)的背光配置，每個(gè)LED有4V的前向壓降和20mA的前向電流，那么升壓轉換器的最小輸出功率將為=320mW。如果升壓轉換器的效率為85%，則該顯示背光對電池來(lái)說(shuō)，就相當于一個(gè)380mW的負載！

　　用PDA進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信實(shí)際上也非常費電。例如，一個(gè)常見(jiàn)的手掌大小的帶嵌入式WAN無(wú)線(xiàn)電模塊的PDA需要0.1W來(lái)維持數據通信的“常開(kāi)”待命狀態(tài)，而在數據通信時(shí)一般需要0.25W。這與最先進(jìn)的PDA處理器處理活動(dòng)視頻時(shí)所需的能量(不包括背光功耗)正好一致。除了嵌入式WAN無(wú)線(xiàn)通信，局域網(wǎng)卡也廣泛用于無(wú)線(xiàn)802.11b連接。在典型的PDA使用模式下，你將會(huì )發(fā)現，對一個(gè)平均峰值功率為1W的無(wú)線(xiàn)電模塊來(lái)說(shuō)，接收和發(fā)射模式所占時(shí)間分別只占總使用時(shí)間的2-3%和1-2%。在其它時(shí)間，無(wú)線(xiàn)電模塊將一直處在空閑狀態(tài)，不過(guò)也要從3.3V系統穩壓器中消耗不大不小的20mA電流。

調控電壓和頻率以增加使用時(shí)間

　　需要大量運算的應用(如多任務(wù)操作系統、流視頻、MP3回放和無(wú)線(xiàn)通信等)使本已左支右絀的電池使用時(shí)間更加不夠用了。幸運的是，來(lái)自英特爾、AMD和其它供應商的基于低功耗RISC架構的處理器正陸續應運而生，它們可以根據系統需求平衡計算吞吐量和優(yōu)化功耗。由于處理器功耗與工作頻率成線(xiàn)性關(guān)系并與處理器內核電壓的平方成正比，因此通過(guò)動(dòng)態(tài)控制這些工作參數我們能夠顯著(zhù)降低功耗。

　　英特爾的XScale技術(shù)是StrongARM的后繼技術(shù)，它是主要為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應用而開(kāi)發(fā)的。這一省電架構代表了英特爾無(wú)線(xiàn)應用處理器的關(guān)鍵，它基于被英特爾稱(chēng)為個(gè)人客戶(hù)端架構(PCA)的開(kāi)放架構。PXA250和PXA210采用的0.18微米工藝使其能工作于400MHz，同時(shí)它采用的低介質(zhì)材料又降低了功耗。英特爾的XScale技術(shù)是一種高度可升級微架構，它具有電壓和頻率調整能力以獲得最優(yōu)性能和功耗(0.18微米工藝能實(shí)現的最高工作頻率可達到1GHz)。

　　PXA250有幾百萬(wàn)只以400MHz開(kāi)關(guān)頻率工作的晶體管，為了將開(kāi)關(guān)損耗減至最小，英特爾采用了“自動(dòng)時(shí)鐘門(mén)控”技術(shù)來(lái)關(guān)閉非工作狀態(tài)的電路。PXA250的最大運行功耗為360mW，低功耗模式有待機和休眠兩種，分別消耗100mW和50uW功率。一個(gè)聰明的程序設計師能根據運行狀態(tài)靈活地在不同模式間切換以降低功耗。

結論

　　隨著(zhù)寬帶無(wú)線(xiàn)通信的到來(lái)和處理能力可“調控”處理器的出現，PDA市場(chǎng)將迎來(lái)新一輪的增長(cháng)。未來(lái)的PDA可為用戶(hù)提供“永遠在線(xiàn)”的無(wú)線(xiàn)數據體驗和豐富的多媒體特性，而這將使PDA在企業(yè)市場(chǎng)更具活力。不過(guò)，便攜式電子產(chǎn)品的核心是電池壽命，對這一有限資源的有效管理關(guān)乎任一品種PDA的生死成敗。在制造商將盡可能多的功能都整合進(jìn)PDA之后，任何一種便攜式設備的成功仍將很大程度上取決于以下幾個(gè)因素：易用性、重量、成本、大小和電池工作時(shí)間，其中4項直接與電池和電池管理息息相關(guān)。