手機整體電源管理技術及其解決方案探討

隨著手機的功能越來越多，用戶對手機電池的能量需求也越來越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來越難以滿足消費者對正常使用時間的要求。對此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開發(fā)具備更高能量密度的新型電池技術，如燃料電池；二是在電池的能量轉換效率和節(jié)能方面下功夫。

 為手機提供電能的技術在最近幾年雖有不少創(chuàng)新和發(fā)展，但是還遠遠不能滿足手機功能發(fā)展的需要，因此如何提高電源管理技術并延長電池使用壽命，已經(jīng)成為手機開發(fā)設計中的主要挑戰(zhàn)之一。

 一個功能完善的手機正常工作時的時間分配比例大致如圖1：

除此以外還有很多其它的功能所造成的功耗，這么多的用電量對于區(qū)區(qū)900mAH的電池來說，無疑是巨大的。因此，在當前新的電池技術還不夠成熟的情況下，要想盡可能地延長手機工作時間，就只能在電源管理上做文章。

 不過，設計者首先必須明白消費者對手機的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，體積小。這要求提高系統(tǒng)的集成度，縮小元器件的封裝體積，減小PCB板的面積，這可能會增加設計中解決電磁干擾(EMI)的難度。第二，重量輕。要求使用高效能的電池，在有限的體積和重量下，提高電池的能量密度。目前大部分手機都使用單節(jié)鋰離子或鋰聚合物的電池，容量為850~1000mAH。第三，通話時間長。要求提高工作時對電池中電能的轉換效率，減少待機時的漏電電流，提高使用效率。第四，價格便宜。要求產(chǎn)品的方案集成度高，分立器件少而且成本低廉。第五，產(chǎn)品更新快。要求元器件簡單易用、便于設計使用，硬件軟件平臺統(tǒng)一，便于增加新的功能和特色。

 因此，手機的電源管理要在進行手機系統(tǒng)方案設計時綜合考慮，平衡省電、成本、體積和開發(fā)時間等多種因素，進行最佳選擇。總的來講，可以從提高電能的轉化效率和提高電能的使用效率兩方面著手進行手機的整體電源管理。

 一、 提高電能的轉化效率

 隨著對電源管理要求的不斷提高，手持設備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開關式電源。但并非開關電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢和劣勢，適用于不同的場合。

 線性電源 —— LDO(低壓降穩(wěn)壓器)

 LDO具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點。在輸出電流較小時，LDO的成本只有開關電源的幾分之一。LDO的封裝從SOT23到SC70、QFN，直至WCSP (晶圓級芯片封裝)，非常適合在手持設備中使用。對于固定電壓輸出的使用場合，外圍只需2到3個很小的電容即可構成整個方案。

 超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢。TI的TPS793285輸出電壓的紋波不到35μVrms，又有極高的信噪抑制比(PSRR=70dB, 在10kHz處)，非常適合用作對噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時在線性電源中因沒有開關時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾(EMI)，所以便于設計。

 但LDO的缺點是低效率，且只能用于降壓的場合。LDO的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比：η=V_out/V_in。在輸入電壓為3.6V(單節(jié)鋰電池)的情況下，輸出電壓為3V時，效率為90.9%，而在輸出電壓為1.5V時，效率則下降為41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時，不僅會浪費很多電能，而且會造成芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 開關式電源 —— 又分為電感式開關電源和電容式開關電源

 1. 電感式開關電源

 電感式開關電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的拓撲結構，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉的功能。

 電感式開關電源具有非常高的轉換效率。在產(chǎn)品工作時主要的電能損耗包括：1）內(nèi)置或外置MOSFET的導通損耗，主要與占空比和MOSFET的導通電阻有關；2）動態(tài)損耗，包括高側和低側MOSFET同時導通時的開關損耗和驅動MOSFET開關電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關頻率有關；3）靜態(tài)損耗，主要與IC內(nèi)部的漏電流有關。

 在電流負載較大時，這些損耗都相對較小，所以電感式開關電源可以達到95%的效率。但是在負載較小時，這些損耗就會相對變得大起來，影響效率。這時一般通過兩種方式降低導通損耗和動態(tài)損耗，一是PWM模式：開關頻率不變，調節(jié)占空比。二是PFM模式：占空比相對固定，調節(jié)開關頻率。

 電感式開關電源的缺點在于電源方案的整體面積較大(主要是電感和電容)，輸出電壓的紋波較大。在PCB布板時必須格外小心以避免電磁干擾(EMI)。

 為了減小對大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開關頻率是非常有效的辦法。TI的TPS62040的開關頻率達1.2MHz，當輸出電流為1.2A時，外部電感只需6.2μH。今后TI還會推出開關頻率更高的產(chǎn)品。

 2. 電容式開關電源 —— 電荷泵 

電荷泵是利用電容作為儲能元件，其內(nèi)部的開關管陣列控制著電容的充放電。為了減少由于開關造成的EMI和電壓紋波，很多IC中采用雙電荷泵的結構。電荷泵同樣可以完成升壓、降壓和反轉電壓的功能。

 由于電荷泵內(nèi)部機構的關系，當輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關系時，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達90%以上。但是效率會隨著兩者之間的比例關系而變化，有時效率也可低至70%以下。所以設計者應盡量利用電荷泵的最佳轉換工作條件。

 由于儲能電容的限制，輸出電壓一般不超過輸入電壓的3倍，而輸出電流不超過300mA。

電荷泵特性介于LDO和電感式開關電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設計，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。

 二、 提高電能的使用效率

 在手機中，減少能量的浪費、將盡量多的可用電能用于實際需要的地方，是省電的關鍵。

 信號處理系統(tǒng)

 　　信號處理系統(tǒng)(主要是信號處理器)是手機的核心部分，它如同人的心臟，會一直工作，因此它也是一個主要的手機電能消耗源。那么應如何提高它的效率呢？一般來說可采用以下兩種方法。

 方法1：分區(qū)管理。將處理某項任務時不需要的功能單元關掉，比如在進行內(nèi)部計算時，將與外部通信的接口關斷或使其進入睡眠狀態(tài)。為了達到這一目的，手機中的信號處理器往往涉及很多個內(nèi)部時鐘，控制著不同功能單元的工作狀態(tài)。另外，為不同功能塊供電的電源電路是可以關斷的。

 方法2：改變信號處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數(shù)的信號處理器是用CMOS工藝制造的。在CMOS電路中，最大的一項功率損耗是驅動MOSFET柵極所引起的損耗，其大小為P_loss= C_gf(I_out)V_in², Cg為柵極電容，f為頻率?？梢钥闯龉β蕮p耗與頻率和輸入電壓，即IC的電源電壓的平方成正比。所以針對不同的運算和任務，把頻率和電源電壓降低到合適的值，可以有效地減少功率損耗。

 TI的DVS(動態(tài)電壓調整)技術有效地將處理器(如OMAP)與電源轉換器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，通過I²C等總線動態(tài)地調節(jié)供電電壓，同時調節(jié)自身的頻率。TPS65010集成了充電電路、電感式DCDC和LDO。同時還可以通過I2C總線對各路輸出電壓進行調節(jié)，非常適合為OMAP和類似的處理器供電。

 音頻功率放大部分

 音頻功率放大器是手機中又一能量消耗大戶，輸出功率可達750mW，對于帶有免提功能的手機可達2W。如何提高放大器的效率呢？傳統(tǒng)的技術采用AB類線性放大器，其效率隨輸出功率變化，最好只有70%。使用D類功率放大器，利用PWM的方式，可使效率提高到85～90%。如TPA2010D1可以輸出2W的功率，效率可達90%。

 目前為了使設計者更方便地進行電源管理，一些廠商開發(fā)了電源管理的軟件用于嵌入式操作系統(tǒng)。運用這類操作系統(tǒng)，可以有效地降低軟件編制中的工作量，同時優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。

 電源管理對手持設備日趨重要。一個高效的系統(tǒng)是要將電源管理的觀念貫穿于設計的每一個環(huán)節(jié)，并且平衡系統(tǒng)多方面因素設計完成的。隨著半導體技術和電路設計技術的發(fā)展，會有越來越多的節(jié)能技術涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。