談手機(jī)的電源管理設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法
隨著手機(jī)的功能越來越多，用戶對手機(jī)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(fèi)者對正常使用時(shí)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(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。
同時(shí)，設(shè)計(jì)者還必須明白消費(fèi)者對手機(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。要求提高工作時(shí)對電池中電能的轉(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。要求元器件簡單易用、便于設(shè)計(jì)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(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？偟膩碇v，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)勢和劣勢，適用于不同的場合。
線性電源
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晶圓級芯片封裝，非常適合在手持設(shè)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(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。但LDO的缺點(diǎn)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=Vout/Vin.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)，不僅會浪費(fèi)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(guān)式電源
電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的拓?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：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);動態(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);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)，這些損耗就會相對變得大起來，影響效率。這時(shí)一般通過兩種方式降低導(dǎo)通損耗和動態(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。
電容式開關(guān)電源
電荷泵是利用電容作為儲能元件，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(guān)電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設(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。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
