電池管理技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于由可充電電池供電的復(fù)雜便攜式設(shè)備,如數(shù)碼相機(jī)、PDA及手機(jī)的使用者來說,更加關(guān)注的是較長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。

由于PDA體積小,只能由一塊小電池來作為電源,對(duì)于市場(chǎng)選擇來說,具有較長(zhǎng)使用壽命的電池比較受歡迎。PDA的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間僅占一小部分,所以可通過電源管理技術(shù)來提高電池的使用時(shí)間。

一般說來,PDA從來不會(huì)完全斷電。和PC不一樣,電腦的程序都存儲(chǔ)在硬盤上,當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),程序被裝載到主存里執(zhí)行,而PDA由于沒有硬盤驅(qū)動(dòng),所以在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí),使用者不需要等待較長(zhǎng)時(shí)間。看上去處于關(guān)斷狀態(tài)的PDA,其實(shí)系統(tǒng)處于開機(jī)狀態(tài),且立即就能完全運(yùn)行所有功能。

PDA的程序和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在帶電的易失性存儲(chǔ)器上,當(dāng)不需要調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí),存儲(chǔ)器幾乎不消耗電池功率。在不執(zhí)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(chǔ)器的激活電壓,并且吸收一個(gè)非常小的電流。

即使是處于離線狀態(tài)的PDA,實(shí)際上它仍處于開機(jī)狀態(tài),因此當(dāng)系統(tǒng)處于離線狀態(tài)時(shí),必須具有非常高的效率,這就要求設(shè)計(jì)電源管理電路的調(diào)節(jié)器時(shí),靜態(tài)電流保持在幾mA的范圍內(nèi),而工作電流保持在幾百mA。

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

實(shí)際上,在PDA應(yīng)用中,最大的功耗節(jié)省來自于處理器的睡眠模式和空閑期間不訪問存儲(chǔ)器,其它的節(jié)省來自于空閑期間采用向后調(diào)整處理器時(shí)鐘頻率。這樣,喚醒功能塊的開關(guān)激活電流可以降低,另外將處理器和存儲(chǔ)器的電壓向后調(diào)整至剛好可以保持?jǐn)?shù)據(jù)激活的狀態(tài),也可以降低靜態(tài)的漏電流。

當(dāng)檢測(cè)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(yùn)行,發(fā)送命令給電源管理電路,將電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整至滿量程值,執(zhí)行所有需要的操作,然后立即返回到睡眠模式。在執(zhí)行每個(gè)任務(wù)的過程中,如查詢地址、寫備忘錄,所需要的時(shí)間也就數(shù)毫秒,整個(gè)設(shè)備(除去顯示)在99%的時(shí)間中都處于高效的離線狀態(tài)。其它的輔助功能,如立體聲音頻、數(shù)碼相機(jī)、添加內(nèi)存卡、無線連接等都可以處于掉電模式。

當(dāng)許多分立元件或者單功能的IC需要提供無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(shù)并優(yōu)化電源管理任務(wù)(如圖2所示)。

對(duì)于使用者來說,移動(dòng)電話通常處于三種狀態(tài)DD關(guān)機(jī)、待機(jī)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開機(jī)和關(guān)機(jī)。通常說來,當(dāng)PDA看上去處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí),實(shí)際上是處于睡眠狀態(tài),而移動(dòng)電話的關(guān)機(jī)狀態(tài)代表的就是關(guān)機(jī)。當(dāng)晶振、計(jì)數(shù)器以及時(shí)鐘計(jì)數(shù)器處于激活狀態(tài)時(shí),提供給存儲(chǔ)器和處理器的功率完全關(guān)斷。同時(shí)在移動(dòng)電話中也沒有降低保持激活電壓或者調(diào)整時(shí)鐘頻率的功能。

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

在系統(tǒng)不執(zhí)行任何操作的大部分時(shí)間里有助于節(jié)省電池的使用時(shí)間,電話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(lì)也不能觸發(fā)中斷一樣,移動(dòng)電話的呼叫信號(hào)本身也不能觸發(fā)處理器的中斷。移動(dòng)電話的接收器必須不斷地打開以監(jiān)聽來自基站發(fā)出的信號(hào)。

當(dāng)處理器被喚醒時(shí),處理器中的計(jì)時(shí)模塊精確的記錄能運(yùn)行的時(shí)間,并調(diào)用電話的接收器去檢查來自基站的信號(hào)、驗(yàn)證信號(hào)的覆蓋范圍,以確定是否需要切換基站。同時(shí)還要檢查即將到來的呼叫信號(hào)。

GSM系統(tǒng)采用了斷續(xù)接收的原理,話機(jī)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(tǒng)可以喚醒電話并多次檢查呼叫信號(hào),可以通過喚醒所需的平均消耗電流以及檢查一個(gè)呼叫所花費(fèi)的時(shí)間來進(jìn)行折中。

加強(qiáng)型射頻電話的喚醒時(shí)間序列是相當(dāng)復(fù)雜的。由于每次呼叫整個(gè)射頻部分都被打開,所以通過觸發(fā)不同子系統(tǒng)的打開時(shí)間,在待機(jī)時(shí)間下的的測(cè)量可以得到改善。

當(dāng)處理器被喚醒后,處理器必須打開供給RF電路的直流電壓。首先調(diào)節(jié)合成器讓電源穩(wěn)定,然后打開接收器的模擬放大器部分,并指引它們執(zhí)行自校準(zhǔn)程序。天線的開關(guān)設(shè)定到接收狀態(tài),同時(shí)射頻前端被打開。使能DSP并開始處理轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號(hào)。只要接收到數(shù)據(jù),射頻和模擬部分就被關(guān)閉,而DSP完成數(shù)據(jù)的解碼并確定如何處理。除非需要對(duì)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的到來。

PDA在每一次觸摸之間可以返回到睡眠模式下,而電話在通話模式下的數(shù)據(jù)處理量是很大的。在GSM電話的每一次呼叫期間,除了接收脈沖次數(shù)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(duì)于GSM使用的時(shí)隙來說,接收器和發(fā)送器的射頻及模擬部分打開的時(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)電話中的其它電路,如音頻電路等都是通過呼叫來打開的。由于使用者在任何時(shí)候都可能有通話,所以麥克輸入信號(hào)的偏移、放大、數(shù)字通道等都必須連續(xù)運(yùn)行。由于僅需把語音信號(hào)傳輸給使用者,所以從音頻接收到揚(yáng)聲器的部分應(yīng)可關(guān)閉和打開。

為了避免在關(guān)閉和打開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(xù)打開狀態(tài),以放大提示使用者還在連接的呼叫信號(hào)。但是當(dāng)對(duì)方?jīng)]有說話時(shí),數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬語音的處理過程就不需要了,這樣,DSP的運(yùn)行就可以減慢以節(jié)約功耗。對(duì)于其它的功能,如照相、背光顯示或者閃爍的多顏色鍵盤燈都會(huì)消耗功率,所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證效率的最優(yōu)化,并且應(yīng)該僅在需要時(shí)才打開。

處理器通過高速SPI總線發(fā)送命令,通過把電源調(diào)節(jié)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(shù)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(shù)。