手機(jī)整體電源管理技術(shù)及其解決方案探討

隨著手機(jī)的功能越來(lái)越多，用戶對(duì)手機(jī)電池的能量需求也越來(lái)越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來(lái)越難以滿足消費(fèi)者對(duì)正常使用時(shí)間的要求。對(duì)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(shù)，如燃料電池；二是在電池的能量轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能方面下功夫。

 為手機(jī)提供電能的技術(shù)在最近幾年雖有不少創(chuàng)新和發(fā)展，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足手機(jī)功能發(fā)展的需要，因此如何提高電源管理技術(shù)并延長(zhǎng)電池使用壽命，已經(jīng)成為手機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)之一。

 一個(gè)功能完善的手機(jī)正常工作時(shí)的時(shí)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(duì)于區(qū)區(qū)900mAH的電池來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是巨大的。因此，在當(dāng)前新的電池技術(shù)還不夠成熟的情況下，要想盡可能地延長(zhǎng)手機(jī)工作時(shí)間，就只能在電源管理上做文章。

 不過(guò)，設(shè)計(jì)者首先必須明白消費(fèi)者對(duì)手機(jī)的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(huì)增加設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)間長(zhǎng)。要求提高工作時(shí)對(duì)電池中電能的轉(zhuǎn)換效率，減少待機(jī)時(shí)的漏電電流，提高使用效率。第四，價(jià)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(jiǎn)單易用、便于設(shè)計(jì)使用，硬件軟件平臺(tái)統(tǒng)一，便于增加新的功能和特色。

 因此，手機(jī)的電源管理要在進(jìn)行手機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮，平衡省電、成本、體積和開發(fā)時(shí)間等多種因素，進(jìn)行最佳選擇。總的來(lái)講，可以從提高電能的轉(zhuǎn)化效率和提高電能的使用效率兩方面著手進(jìn)行手機(jī)的整體電源管理。

 一、 提高電能的轉(zhuǎn)化效率

 隨著對(duì)電源管理要求的不斷提高，手持設(shè)備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開關(guān)式電源。但并非開關(guān)電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，適用于不同的場(chǎng)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(diǎn)。在輸出電流較小時(shí)，LDO的成本只有開關(guān)電源的幾分之一。LDO的封裝從SOT23到SC70、QFN，直至WCSP (晶圓級(jí)芯片封裝)，非常適合在手持設(shè)備中使用。對(duì)于固定電壓輸出的使用場(chǎng)合，外圍只需2到3個(gè)很小的電容即可構(gòu)成整個(gè)方案。

 超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢(shì)。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(duì)噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時(shí)在線性電源中因沒有開關(guān)時(shí)大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾(EMI)，所以便于設(shè)計(jì)。

 但LDO的缺點(diǎn)是低效率，且只能用于降壓的場(chǎng)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(shí)，效率為90.9%，而在輸出電壓為1.5V時(shí)，效率則下降為41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時(shí)，不僅會(huì)浪費(fèi)很多電能，而且會(huì)造成芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 開關(guān)式電源 —— 又分為電感式開關(guān)電源和電容式開關(guān)電源

 1. 電感式開關(guān)電源

 電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲(chǔ)能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉(zhuǎn)的功能。

 電感式開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。在產(chǎn)品工作時(shí)主要的電能損耗包括：1）內(nèi)置或外置MOSFET的導(dǎo)通損耗，主要與占空比和MOSFET的導(dǎo)通電阻有關(guān)；2）動(dòng)態(tài)損耗，包括高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關(guān)頻率有關(guān)；3）靜態(tài)損耗，主要與IC內(nèi)部的漏電流有關(guān)。

 在電流負(fù)載較大時(shí)，這些損耗都相對(duì)較小，所以電感式開關(guān)電源可以達(dá)到95%的效率。但是在負(fù)載較小時(shí)，這些損耗就會(huì)相對(duì)變得大起來(lái)，影響效率。這時(shí)一般通過(guò)兩種方式降低導(dǎo)通損耗和動(dòng)態(tài)損耗，一是PWM模式：開關(guān)頻率不變，調(diào)節(jié)占空比。二是PFM模式：占空比相對(duì)固定，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

 電感式開關(guān)電源的缺點(diǎn)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(shí)必須格外小心以避免電磁干擾(EMI)。

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

 2. 電容式開關(guān)電源 —— 電荷泵 

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

 由于電荷泵內(nèi)部機(jī)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時(shí)，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達(dá)90%以上。但是效率會(huì)隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化，有時(shí)效率也可低至70%以下。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)盡量利用電荷泵的最佳轉(zhuǎn)換工作條件。

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

電荷泵特性介于LDO和電感式開關(guān)電源之間，具有較高的效率和相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)，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(jī)中，減少能量的浪費(fèi)、將盡量多的可用電能用于實(shí)際需要的地方，是省電的關(guān)鍵。

 信號(hào)處理系統(tǒng)

 　　信號(hào)處理系統(tǒng)(主要是信號(hào)處理器)是手機(jī)的核心部分，它如同人的心臟，會(huì)一直工作，因此它也是一個(gè)主要的手機(jī)電能消耗源。那么應(yīng)如何提高它的效率呢？一般來(lái)說(shuō)可采用以下兩種方法。

 方法1：分區(qū)管理。將處理某項(xiàng)任務(wù)時(shí)不需要的功能單元關(guān)掉，比如在進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算時(shí)，將與外部通信的接口關(guān)斷或使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了達(dá)到這一目的，手機(jī)中的信號(hào)處理器往往涉及很多個(gè)內(nèi)部時(shí)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(guān)斷的。

 方法2：改變信號(hào)處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數(shù)的信號(hào)處理器是用CMOS工藝制造的。在CMOS電路中，最大的一項(xiàng)功率損耗是驅(qū)動(dòng)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(duì)不同的運(yùn)算和任務(wù)，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(dòng)態(tài)電壓調(diào)整)技術(shù)有效地將處理器(如OMAP)與電源轉(zhuǎn)換器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)I²C等總線動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)自身的頻率。TPS65010集成了充電電路、電感式DCDC和LDO。同時(shí)還可以通過(guò)I2C總線對(duì)各路輸出電壓進(jìn)行調(diào)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(jī)中又一能量消耗大戶，輸出功率可達(dá)750mW，對(duì)于帶有免提功能的手機(jī)可達(dá)2W。如何提高放大器的效率呢？傳統(tǒng)的技術(shù)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(dá)90%。

 目前為了使設(shè)計(jì)者更方便地進(jìn)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(yùn)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(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。

 電源管理對(duì)手持設(shè)備日趨重要。一個(gè)高效的系統(tǒng)是要將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并且平衡系統(tǒng)多方面因素設(shè)計(jì)完成的。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。