PDA電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及解決方案

　　如今，由電池供電的PDA將遇到來自電源管理方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)楦鞣N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(shì)。這就要求高效的能量轉(zhuǎn)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(yùn)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，以滿足負(fù)載不斷增長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還高1倍，因此它實(shí)際上已經(jīng)成為所有PDA當(dāng)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(fù)責(zé)整個(gè)PDA系統(tǒng)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(fù)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(fù)責(zé)電池的充電、保護(hù)和檢測(cè)，它的主要作用是優(yōu)化電池利用和延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。其電路結(jié)構(gòu)視所選的電池化學(xué)成分、容量和充/放電周期數(shù)而定。一旦確定了這些因素，電源架構(gòu)設(shè)計(jì)師就可以選擇充電器拓樸結(jié)構(gòu)(線性、PWM或脈沖模式)和電池保護(hù)方案。當(dāng)輸入從AC電源適配器切換到電流有限制的USB總線電壓時(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(cè)量最初只是一項(xiàng)電池管理功能，但隨著用戶越來越關(guān)心電池使用狀況，它也正在變成負(fù)載管理的一個(gè)組成部分。準(zhǔn)確的電能測(cè)量需要對(duì)隨時(shí)間而變的電池充/放電電流進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，目前廣泛使用的基于電池放電曲線的電壓測(cè)量技術(shù)盡管成本很低，但已被證明不能準(zhǔn)確反應(yīng)電池使用狀況。也正因?yàn)檫@樣，像Intersil ISL6295這樣復(fù)雜的“電量計(jì)量”IC正在獲得越來越多的應(yīng)用。

電壓管理子模塊

　　電壓管理子模塊主要執(zhí)行分配和調(diào)節(jié)功能，它負(fù)責(zé)對(duì)未穩(wěn)壓的電池電壓(鋰離子電池是3-4.2V)進(jìn)行高效的調(diào)節(jié)以滿足苛刻的負(fù)載要求。隨著工作電壓低于2V的處理器的出現(xiàn)，線性穩(wěn)壓器已經(jīng)不再適合用于處理器內(nèi)核電壓的穩(wěn)壓。

　　代之而起的是像Intersil的EL7536和 ISL6271這樣的全集成開關(guān)穩(wěn)壓器，它們?cè)诤軐挼膭?dòng)態(tài)負(fù)載范圍內(nèi)都能有很高的轉(zhuǎn)換效率，從而可以用來對(duì)系統(tǒng)和內(nèi)核處理器電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。線性穩(wěn)壓器現(xiàn)已主要用于LDO(低壓降)轉(zhuǎn)換，并僅用來為存儲(chǔ)器、音頻和時(shí)鐘系統(tǒng)中的噪聲敏感電路提供電源。

負(fù)載管理子模塊

　　系統(tǒng)負(fù)載最少消耗掉電池容量的90%(剩余的10%消耗于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié))，這一部分是延長(zhǎng)電池工作壽命和幫助實(shí)現(xiàn)先進(jìn)PDA性能的關(guān)鍵。CPU必須根據(jù)時(shí)鐘電路、Hi-Fi音頻功放、RF天線驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器、擴(kuò)展卡槽、處理器內(nèi)核和顯示背光的活躍度和系統(tǒng)運(yùn)行模式，恰到好處地依次對(duì)這些電路進(jìn)行開關(guān)。這種負(fù)載管理方式(通常稱為“負(fù)載剝離”)不僅延長(zhǎng)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(jì)量

　　了解電池能量消耗情況的方法之一是對(duì)其進(jìn)行計(jì)量，而這正是電能計(jì)量IC(如Intersil的ISL6295)的主要功能。通過將一只很小的感應(yīng)電阻與電池串接，ISL6295能夠通過累計(jì)某一時(shí)間段的電池電流流量(毫安-小時(shí))準(zhǔn)確地算出消耗或補(bǔ)充的電能。ISL6295通過I2C串行總線記錄電壓、殘余電量、電流和溫度，它可用來監(jiān)測(cè)單一的負(fù)載功耗，并幫助實(shí)現(xiàn)包括負(fù)載剝離和電池保護(hù)這樣的先進(jìn)電源管理功能。

背光電路是耗能大負(fù)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(zhuǎn)換器來驅(qū)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(zhuǎn)換器的最小輸出功率將為=320mW。如果升壓轉(zhuǎn)換器的效率為85%，則該顯示背光對(duì)電池來說，就相當(dāng)于一個(gè)380mW的負(fù)載！

　　用PDA進(jìn)行無線通信實(shí)際上也非常費(fèi)電。例如，一個(gè)常見的手掌大小的帶嵌入式WAN無線電模塊的PDA需要0.1W來維持?jǐn)?shù)據(jù)通信的“常開”待命狀態(tài)，而在數(shù)據(jù)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無線通信，局域網(wǎng)卡也廣泛用于無線802.11b連接。在典型的PDA使用模式下，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)一個(gè)平均峰值功率為1W的無線電模塊來說，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，無線電模塊將一直處在空閑狀態(tài)，不過也要從3.3V系統(tǒng)穩(wěn)壓器中消耗不大不小的20mA電流。

調(diào)控電壓和頻率以增加使用時(shí)間

　　需要大量運(yùn)算的應(yīng)用(如多任務(wù)操作系統(tǒng)、流視頻、MP3回放和無線通信等)使本已左支右絀的電池使用時(shí)間更加不夠用了。幸運(yùn)的是，來自英特爾、AMD和其它供應(yīng)商的基于低功耗RISC架構(gòu)的處理器正陸續(xù)應(yīng)運(yùn)而生，它們可以根據(jù)系統(tǒng)需求平衡計(jì)算吞吐量和優(yōu)化功耗。由于處理器功耗與工作頻率成線性關(guān)系并與處理器內(nèi)核電壓的平方成正比，因此通過動(dòng)態(tài)控制這些工作參數(shù)我們能夠顯著降低功耗。

　　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(yīng)用而開發(fā)的。這一省電架構(gòu)代表了英特爾無線應(yīng)用處理器的關(guān)鍵，它基于被英特爾稱為個(gè)人客戶端架構(gòu)(PCA)的開放架構(gòu)。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(jí)微架構(gòu)，它具有電壓和頻率調(diào)整能力以獲得最優(yōu)性能和功耗(0.18微米工藝能實(shí)現(xiàn)的最高工作頻率可達(dá)到1GHz)。

　　PXA250有幾百萬只以400MHz開關(guān)頻率工作的晶體管，為了將開關(guān)損耗減至最小，英特爾采用了“自動(dòng)時(shí)鐘門控”技術(shù)來關(guān)閉非工作狀態(tài)的電路。PXA250的最大運(yùn)行功耗為360mW，低功耗模式有待機(jī)和休眠兩種，分別消耗100mW和50uW功率。一個(gè)聰明的程序設(shè)計(jì)師能根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)靈活地在不同模式間切換以降低功耗。

結(jié)論

　　隨著寬帶無線通信的到來和處理能力可“調(diào)控”處理器的出現(xiàn)，PDA市場(chǎng)將迎來新一輪的增長(zhǎng)。未來的PDA可為用戶提供“永遠(yuǎn)在線”的無線數(shù)據(jù)體驗(yàn)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，便攜式電子產(chǎn)品的核心是電池壽命，對(duì)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(shè)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(xiàng)直接與電池和電池管理息息相關(guān)。