便攜式無(wú)線(xiàn)設備的電源架構向“綠色”邁進(jìn)

一個(gè)由電池供電的便攜式無(wú)線(xiàn)設備存在著(zhù)很多系統設計師必須克服的關(guān)鍵問(wèn)題。最重要的問(wèn)題之一是如何讓熱量從設備中散出，因為這類(lèi)設備通常沒(méi)有用于冷卻目的的風(fēng)扇。結果，可能用于這類(lèi)設備中的電源轉換和管理IC必須是高熱效率的，因為電源轉換效率不佳的主要副產(chǎn)品就是熱量。

這種熱量是在能量輸送過(guò)程中由穩壓器內損失的功率所產(chǎn)生。此外，在很多便攜式設備內部，用于冷卻目的的空氣流動(dòng)有限，而且散熱器由于自身尺寸和設備內可用空間而受到限制，因此器件密集排列的印刷電路板必須處理這種熱量。不過(guò)，這種熱量轉化成產(chǎn)品內部工作(環(huán)境)溫度的上升，這可能對長(cháng)期可靠性產(chǎn)生有害影響。

一個(gè)DC/DC轉換器的轉換效率可以用輸出功率除以輸入功率來(lái)計算，或者換一種說(shuō)法，是負載功率除以輸入功率。系統設計師必須根據電源轉換過(guò)程產(chǎn)生的熱量仔細考慮應該使用的穩壓器類(lèi)型。因此，很多電池供電型便攜式無(wú)線(xiàn)設備制造商的常見(jiàn)做法是，采用開(kāi)關(guān)穩壓器而不是更簡(jiǎn)單的線(xiàn)性低壓差穩壓器，因為開(kāi)關(guān)穩壓器的工作效率更高。

電源架構趨勢

圖1是一個(gè)典型的電池供電型便攜式無(wú)線(xiàn)設備的電源轉換和管理架構。不是所有產(chǎn)品都含有一個(gè)集成的電池充電器，因為有些制造商更喜歡將電池充電器放在一個(gè)附屬充電座中。這些充電座允許同時(shí)進(jìn)行該設備與主計算機的通信，并提供必需給電池再充電的充電電流。另外，有些制造商不想增加成本和設計時(shí)間以將電池充電器設計和制造在產(chǎn)品中，而是簡(jiǎn)單地選擇用單節或多節標準圓柱形AA或AAA型電池為產(chǎn)品供電，而不管電池的化學(xué)組成類(lèi)型。

圖1 一個(gè)典型的電池供電型便攜式無(wú)線(xiàn)設備的電源架構

在幾乎任何類(lèi)型的便攜式無(wú)線(xiàn)設備中都需要幾個(gè)不同的電壓軌，這種情況很常見(jiàn)，除了某些類(lèi)型的電池，這些設備可能還有多個(gè)輸入電源。這些電壓軌一般包括一個(gè)3.0V或3.3V的主系統總線(xiàn)、一個(gè)1.2V的微處理器或DSP內核電壓、用于I/O的1.8V、用于射頻電源的 2.8V、用于USB OTG支持或為音頻電路供電的5V、以及一個(gè)為L(cháng)ED陣列供電以實(shí)現顯示器背光照明的LED驅動(dòng)器。不過(guò)，一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題仍然存在，那就是如何最佳地管理來(lái)自各種不同輸入電源的可用功率，以?xún)?yōu)化最終產(chǎn)品的功能，同時(shí)給電池充電(如果電池存在)。解決這個(gè)復雜問(wèn)題所需要的是簡(jiǎn)單和有效的電源通路控制電路。

電源通路控制是一個(gè)自動(dòng)的負載優(yōu)先處理電路，在優(yōu)先向系統負載供電的同時(shí)，能自主和無(wú)縫地管理如USB端口、交流適配器和電池等多個(gè)輸入電源之間的電源通路。在傳統的電池饋送型充電系統中，用戶(hù)必須等到有足夠的電池充電量和電壓值，才能獲得系統功率。相反地，電源通路控制允許最終產(chǎn)品在一插電就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)如何，這常常稱(chēng)為“即時(shí)接通”工作。

電源通路控制電路可以用線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)拓撲實(shí)現。線(xiàn)性電源通路拓撲的好處是易于實(shí)施和具成本效益。不過(guò)，開(kāi)關(guān)模式電源通路拓撲可提高向系統負載和電池供電的效率。開(kāi)關(guān)模式電源通路拓撲是通過(guò)消除在線(xiàn)性電池充電器單元損失的功率做到這一點(diǎn)的，當電池電壓低和/或輸入功率有限時(shí)(例如，靠一個(gè)受限的USB端口供電)尤其重要，從而使這種拓撲具有卓越的熱特性。第二個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，當電池電壓低時(shí)，它能夠從一個(gè)標準USB端口(約2.3W)抽取高達700mA的電池充電電流。這之所以成為可能，是因為開(kāi)關(guān)拓撲有高于90% 的轉換效率，而線(xiàn)性拓撲的標稱(chēng)轉換效率僅為60%。幸運的是，有很多模擬半導體供應商同時(shí)提供獨立和高度集成的電源通路控制IC。

由AA或AAA電池供電的設備需要特別考慮

除了鋰離子電池，出于便利性、可用性和成本原因，多種便攜式無(wú)線(xiàn)設備仍然由兩節可再充電或不可再充電的AA或AAA型電池(采用鎳、堿性或新的圓柱形鋰化學(xué)材料)供電。不過(guò)，正如已經(jīng)提到的那樣，管理進(jìn)入手持式設備的電源通路是一個(gè)日益復雜的任務(wù)，因為產(chǎn)品中存在多種電源電壓，空間非常有限但需要最佳效率。常見(jiàn)的情況是，這些因素促進(jìn)了為很多電池供電型設備而開(kāi)發(fā)的高度集成電源管理IC(PMIC)。

不過(guò)，當使用一個(gè)由兩節AA或AAA電池和一個(gè)5V AC適配器或一個(gè)5V USB端口供電的便攜式無(wú)線(xiàn)設備時(shí)，最大的障礙之一是為主電源軌提供一個(gè)固定3V或3.3V輸出，以及提供一個(gè)為微處理器或DSP內核電壓供電的1.2V輸出。當該設備由5V交流適配器或5V USB端口供電時(shí)，僅需要降壓型DC/DC轉換器。不過(guò)，當該設備由電池供電時(shí)，常常需要一個(gè)降壓-升壓型DC/DC轉換器來(lái)為主電源軌提供3V或3.3V電壓，同時(shí)需要一個(gè)降壓型DC/DC轉換器來(lái)為大規模數字處理器內核提供 1.2V電壓。這是因為，兩節AA(鎳或堿性)電池的放電曲線(xiàn)是從3.2V直至 1.8V，不過(guò)，用“新”的圓柱形鋰AA和AAA電池，這個(gè)范圍已經(jīng)向上移動(dòng)了約0.4V，因此需要一個(gè)降壓-升壓型穩壓器以更高效率在整個(gè)電池放電范圍內調節3.0V或3.3V。此外，常常需要第二個(gè)降壓通道來(lái)為標稱(chēng)值為1.8V的存儲器供電。

由電池供電的無(wú)線(xiàn)便攜式設備也需要綠色電源

過(guò)去一年中“綠色環(huán)?！备拍畲罅砍霈F在新聞中，2009年我們將會(huì )看到更多這方面的報道。結果，很多供應商或電源管理和轉換IC在跨寬負載范圍提高電源轉換效率方面取得了很大進(jìn)步。

此外，人們普遍認為，不管產(chǎn)品是靠插到墻上的電源插座還是靠電池供電工作，都需要節能。這是因為，隨著(zhù)一個(gè)國家人口的增加，對能量的需求也在增加，人們需要能量為家居的加熱/冷卻系統、照明和家用電器供電。不僅建造新的發(fā)電設施耗費大量資金，而且電能產(chǎn)生后傳送到用戶(hù)處也需要大量的金錢(qián)。據觀(guān)察，將大多數家用電器目前的能耗降低15%～20%，比建設新的發(fā)電設施更具成本效益。

就由電池供電的便攜式無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品而言，類(lèi)似的概念也適用，不過(guò)，在使用多節AA或AAA型電池的情況下，對這些含有害化學(xué)材料的電池處置給我們的環(huán)境造成了負面影響。顯然，為延長(cháng)這些電池在最終產(chǎn)品中的使用壽命所能做的任何事情都將最大限度減小更換電池的頻度，因此可以減少需要回收的有害污染物。

與建造新的發(fā)電設施或有害化學(xué)材料回收設施有關(guān)的高成本導致的結果是，很多國家已經(jīng)采取了“綠色政策”，這些國家以此鼓勵制造商在最終產(chǎn)品中采用節能技術(shù)。因此，就一個(gè)用在任何類(lèi)型節能設備中的電源管理和轉換IC而言，任何內部使用的DC/DC轉換器都必須有兩個(gè)主要的特性。首先，它們必須在寬負載電流范圍內擁有非常高的轉換效率。其次，它們在備用和停機模式時(shí)必須有非常低的靜態(tài)電流。結果，很多由電池供電的便攜式產(chǎn)品正在納入具有這兩個(gè)關(guān)鍵特性的電源管理和轉換產(chǎn)品。

新的綠色電源轉換產(chǎn)品

LTC3101是一個(gè)多功能、緊湊型電源管理解決方案系列中最新的PMIC，該系列解決方案用于電池供電和電池備份應用。它集成了一個(gè)低損耗電源通路(PowerPath)控制器、3個(gè)高效率同步開(kāi)關(guān)穩壓器(1個(gè)降壓-升壓和兩個(gè)降壓)、1個(gè)電流限制為200mA的VMAX輸出(跟蹤電壓較高的輸入電源)、1個(gè)受保護的100mA熱插拔(Hot Swap)輸出、按鈕開(kāi)/關(guān)控制、一個(gè)可編程處理器復位發(fā)生器和一個(gè)始終保持接通的LDO，所有這些都在一個(gè)緊湊型、扁平4mm×4mm QFN-24封裝中。

LTC3101具有1.8～5.5V的寬輸入工作電壓范圍，與2或3節采用鎳、鋰或堿性化學(xué)材料的AA或AAA型電池、標準單節鋰離子/聚合物棱柱形電池以及USB或5V交流適配器輸入電源兼容(見(jiàn)圖3)。此外，該器件的低損耗電源通路控制無(wú)縫和自動(dòng)地管理上述多個(gè)輸入電源之間的電源通路?！氨３诌\作”的VMAX和LDO輸出為關(guān)鍵功能或附加的外部穩壓器供電。內部排序和獨立的使能引腳提供了靈活的加電選項。

圖2 LTC3101的效率曲線(xiàn)

圖3 LTC3101原理圖

LTC3101的降壓-升壓型穩壓器在輸入電壓高于3V時(shí)可以連續提供高達800mA的電流，非常適用于在1.8～ 5.5V的整個(gè)輸入電壓范圍內高效率地調節3.0V或3.3V輸出。LTC3101的兩個(gè)降壓型穩壓器以100%占空比工作，每個(gè)都能提供350mA的輸出電流，具有低至0.6V的可調輸出電壓。LTC3101的內部低RDS(ON) 開(kāi)關(guān)實(shí)現了高達95%的降壓-升壓效率和高達 93%的降壓型穩壓器效率，從而最大限度地延長(cháng)電池運行時(shí)間(見(jiàn)圖 2)。

諸如手持式儀表和醫療診斷設備等便攜式無(wú)線(xiàn)儀表，由于需要執行大量數據處理任務(wù)而由3或4節AA電池供電的情形并非罕見(jiàn)。同步降壓-升壓型轉換器LTC3534就是為此而設計的，該器件具有2.4～7V的擴展輸入電壓范圍，可向固定穩壓輸出提供高達500mA的輸出電流。它的輸入可以高于、等于或低于輸出。LTC3534采用的拓撲在所有工作模式時(shí)都提供連續輸送模式，從而使其非常適用于3或4節堿性電池應用。

例如，考慮一個(gè)輸入電壓范圍為 3.6～6.4V以提供一個(gè)固定5V輸出的4節堿性(AA或AAA)電池應用(見(jiàn)圖4)。在很多情況下，當與更加傳統的SEPIC方法比較時(shí)，運用LTC3534可以使電池運行時(shí)間延長(cháng)25%。LTC3534的1MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率在最大限度地減小外部組件尺寸的同時(shí)提供低輸出噪聲。纖巧外部組件結合3mm×5mm DFN(或SSOP-16)封裝提供了一個(gè)纖巧的解決方案占板面積，非常適用于很多手持式設備。

圖4 LTC3534 原理圖

LTC3534含有兩個(gè)N溝道以及兩個(gè)P溝道MOSFET(分別為215mΩ/275Ωm和260mΩ)，提供高達94%的效率。突發(fā)模式工作僅需要25μA的靜態(tài)電流，而停機電流低于1μA，以進(jìn)一步延長(cháng)電池運行時(shí)間。如果應用是噪聲敏感的，那么還可以配置PWM引腳以提供強制連續工作，從而降低噪聲和潛在的射頻干擾。其他特點(diǎn)包括軟啟動(dòng)、電流限制、熱停機和輸出斷接。