一種優(yōu)化便攜式設備的電源系統(tǒng)

引言

　　便攜式電子設備在我們的日常生活中占據(jù)重要地位，大多數(shù)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的重要推動力量。

　　便攜式設備電源系統(tǒng)設計

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　便攜式設備的設計必須滿足對最大處理能力的需求，并且不產(chǎn)生過多的熱量。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(tǒng)也一直是一個挑戰(zhàn)。不僅如此，更加困難的是還需要找到一種對電源管理系統(tǒng)進行優(yōu)化和集成的方法，以滿足外形尺寸更小、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(tǒng)，設計人員可確保電源系統(tǒng)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，可通過為應用系統(tǒng)選擇最佳的系統(tǒng)電壓和采用合適的電源元件使電源系統(tǒng)得到優(yōu)化。

　　續(xù)航時間

　　續(xù)航時間(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間)是由電池容量、電源系統(tǒng)的效率等因素及軟件電源管理能力決定的。如果電源系統(tǒng)的所有元件能協(xié)同工作來降低電池消耗，就可延長續(xù)航時間。早期的手機使用鎳鎘電池和4個低壓差穩(wěn)壓器(LDO)可使通話時間達到1小時左右，但在更新款的中高端手機中，同種類型的電池系統(tǒng)只能提供5~10分鐘的通話時間。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(tǒng)的設計極具挑戰(zhàn)性。

　　布線與成本

　　具有音頻、電池充電、通信、管理軟件和照明功能等二十多個電源域的高度集成的電源管理系統(tǒng)目前廣泛用于便攜式應用。對于系統(tǒng)架構(gòu)師而言，由于元件分布在便攜式設備中各個位置上，如何安排從每個電源到元件的布線是一個挑戰(zhàn)。負載往往放置在遠離電源管理芯片(PMIC)的地方，這不但給PCB布線帶來困難，而且會造成線電壓波動和電源線噪聲增大。在負載點(POL)使用穩(wěn)壓器有助于降低線電壓波動和噪聲，但PMIC本身的功耗也可能帶來問題。隨著便攜式設備的發(fā)展，“使用單一大型PMIC滿足所有需求”的設計思想已無法滿足互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器等新型高耗電應用的需求。此外，對于簡單的單語音應用，由于電源的許多部分將不會被用到，大型PMIC可能因大材小用而增加不必要的系統(tǒng)成本。外圍電源產(chǎn)品可輔助PMIC提高系統(tǒng)效率。

　　功耗

　　對于便攜式設備，功耗已成為最重要的設計挑戰(zhàn)。隨著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(xù)增長，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(xù)航時間。例如，運行于智能電話、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機、個人導航系統(tǒng)和便攜式醫(yī)療設備等各種超便攜式設備中的復雜專用軟件需要非常高的時鐘速度。這些設備對電源系統(tǒng)的要求與智能手機非常相似，如一些醫(yī)療設備利用蜂窩或802.11數(shù)據(jù)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生，實現(xiàn)全天候連續(xù)的病人監(jiān)護。系統(tǒng)架構(gòu)師必須設計續(xù)航時間長的系統(tǒng)來滿足任務要求。這些功能強大的應用需使用高耗電處理器，進一步縮短了系統(tǒng)的續(xù)航時間。在功耗和電池續(xù)航能力之間尋求平衡是便攜式系統(tǒng)的一個關(guān)鍵的設計考慮。降低處理器速度可減少功耗并延長電池的運行時間，但軟件性能也會隨之降低。系統(tǒng)架構(gòu)師必須為應用系統(tǒng)選擇最合適的處理器速度，以提供最佳的用戶體驗。

　　解決之道

　　如圖1所示，便攜式系統(tǒng)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條、存儲器(SDRAM、閃存、微硬盤)、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(tǒng)、智能電話、數(shù)碼相機及醫(yī)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(jù)外圍電源POL的需求添加到系統(tǒng)中。

　　降低處理器速度可降低功耗并延長電池的運行時間，但同時也降低了軟件性能。系統(tǒng)架構(gòu)師必須在滿足關(guān)鍵性能要求的同時盡量降低功耗。使用高效DC-DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動LDO可提高系統(tǒng)效率并延長電池續(xù)航時間，進而解決這些問題。對于輸出電壓隨著放電過程下降的應用，圖2所示的使用ADP2108降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動ADP170 LDO的系統(tǒng)可延長電池續(xù)航時間。下面針對兩種情形來比較一下該系統(tǒng)與簡單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(tǒng)將在電壓為3V時關(guān)斷。當Vbat=4.2V時，LDO效率=(2.3/4.2)×100%=55%;當Vbat=3.6V時，LDO效率為64%;當Vbat=3.0V時，LDO效率為77%。請注意，輸入電壓越接近輸出電壓，效率越高。在電池放電過程中，有20%的工作時間平均效率約為55%，有60%的工作時間平均效率為64%，另有20%的工作時間平均效率為77%。而對于LDO直接連接到電池的電路，整個工作時間的平均效率為65%。

　　情形2：使用ADP2108降壓型穩(wěn)壓器和ADP170 LDO完成二級電壓轉(zhuǎn)換(見圖2)。無論電池電壓為多少，降壓穩(wěn)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工具來計算ADP2108的效率。

　　在輸入電壓范圍內(nèi)和300mA負載電流下，ADP2108的效率平均在90%以上。因此，該系統(tǒng)的效率(ηeff)=(ηDC×ηLDO)×100%=(0.9×0.92)×100%=83%。使用降壓型穩(wěn)壓器和LDO可將系統(tǒng)效率從56%提高到83%，比簡單LDO提高了28%。如果把這種節(jié)能技術(shù)應用到具有多個電源軌的便攜式系統(tǒng)中，由于提高了各個負載的效率，整個系統(tǒng)的效率將會相應提高，并大大延長電池的續(xù)航時間。

　　即使不考慮電池續(xù)航時間，LDO的功耗仍是一個問題。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。這意味著當把充滿電的電池連接到LDO時，超過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)來實現(xiàn)系統(tǒng)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(jié)語

　　綜上所述，系統(tǒng)架構(gòu)師可通過為應用選擇最合適的系統(tǒng)電壓、使用恰當?shù)碾娫丛⑼ㄟ^使電源系統(tǒng)的所有元件協(xié)同工作來降低電池消耗。