電池管理技術應用

對于由可充電電池供電的復雜便攜式設備,如數(shù)碼相機、PDA及手機的使用者來說,更加關注的是較長的電池使用時間。

由于PDA體積小,只能由一塊小電池來作為電源,對于市場選擇來說,具有較長使用壽命的電池比較受歡迎。PDA的實際運行時間僅占一小部分,所以可通過電源管理技術來提高電池的使用時間。

一般說來,PDA從來不會完全斷電。和PC不一樣,電腦的程序都存儲在硬盤上,當系統(tǒng)啟動時,程序被裝載到主存里執(zhí)行,而PDA由于沒有硬盤驅(qū)動,所以在啟動系統(tǒng)時,使用者不需要等待較長時間。看上去處于關斷狀態(tài)的PDA,其實系統(tǒng)處于開機狀態(tài),且立即就能完全運行所有功能。

PDA的程序和數(shù)據(jù)都存儲在帶電的易失性存儲器上,當不需要調(diào)用數(shù)據(jù)時,存儲器幾乎不消耗電池功率。在不執(zhí)行操作時,處理器處于深睡眠模式而不消耗功率。所有其它的功能,如音頻、背光照明以及顯示等都被關閉,電源管理電路提供喚醒處理器和存儲器的激活電壓,并且吸收一個非常小的電流。

即使是處于離線狀態(tài)的PDA,實際上它仍處于開機狀態(tài),因此當系統(tǒng)處于離線狀態(tài)時,必須具有非常高的效率,這就要求設計電源管理電路的調(diào)節(jié)器時,靜態(tài)電流保持在幾mA的范圍內(nèi),而工作電流保持在幾百mA。

即使是在運行期間,大部分時間內(nèi)也只有顯示器處于上電狀態(tài),一旦操作執(zhí)行完成,處理器將復位大部分功能到睡眠模式(如圖1所示)。所有數(shù)據(jù)被保留,同時顯示處于激活狀態(tài)(提供操作外觀界面),而處理器等待來自顯示功能的下一個中斷。

實際上,在PDA應用中,最大的功耗節(jié)省來自于處理器的睡眠模式和空閑期間不訪問存儲器,其它的節(jié)省來自于空閑期間采用向后調(diào)整處理器時鐘頻率。這樣,喚醒功能塊的開關激活電流可以降低,另外將處理器和存儲器的電壓向后調(diào)整至剛好可以保持數(shù)據(jù)激活的狀態(tài),也可以降低靜態(tài)的漏電流。

當檢測到筆在觸摸屏上的動作時,處理器被喚醒并保持時鐘全速運行,發(fā)送命令給電源管理電路,將電壓動態(tài)調(diào)整至滿量程值,執(zhí)行所有需要的操作,然后立即返回到睡眠模式。在執(zhí)行每個任務的過程中,如查詢地址、寫備忘錄,所需要的時間也就數(shù)毫秒,整個設備(除去顯示)在99%的時間中都處于高效的離線狀態(tài)。其它的輔助功能,如立體聲音頻、數(shù)碼相機、添加內(nèi)存卡、無線連接等都可以處于掉電模式。

當許多分立元件或者單功能的IC需要提供無法嵌入到處理器中的功能時,采用高度集成的電源管理芯片,大部分不在處理器中的模擬功能都可以被集成在一塊IC中,從而可以降低元件數(shù)并優(yōu)化電源管理任務(如圖2所示)。

對于使用者來說,移動電話通常處于三種狀態(tài)DD關機、待機或者接發(fā)信息。這些狀態(tài)下的功能明顯不同于PDA,它僅有兩個表象狀態(tài)DD開機和關機。通常說來,當PDA看上去處于關機狀態(tài)時,實際上是處于睡眠狀態(tài),而移動電話的關機狀態(tài)代表的就是關機。當晶振、計數(shù)器以及時鐘計數(shù)器處于激活狀態(tài)時,提供給存儲器和處理器的功率完全關斷。同時在移動電話中也沒有降低保持激活電壓或者調(diào)整時鐘頻率的功能。

移動電話的待機模式非常接近于PDA的開機狀態(tài),在大部分的時間里,電話的處理器可以處于睡眠狀態(tài)而僅僅保持存儲器的電壓。RF、音頻、照明等都可以關閉,而顯示功能運行時只吸收極小的電流。

在系統(tǒng)不執(zhí)行任何操作的大部分時間里有助于節(jié)省電池的使用時間,電話的處理器在大部分時間里都會關閉幾乎所有的功能。正如PDA觸摸屏的激勵也不能觸發(fā)中斷一樣,移動電話的呼叫信號本身也不能觸發(fā)處理器的中斷。移動電話的接收器必須不斷地打開以監(jiān)聽來自基站發(fā)出的信號。

當處理器被喚醒時,處理器中的計時模塊精確的記錄能運行的時間,并調(diào)用電話的接收器去檢查來自基站的信號、驗證信號的覆蓋范圍,以確定是否需要切換基站。同時還要檢查即將到來的呼叫信號。

GSM系統(tǒng)采用了斷續(xù)接收的原理,話機保持睡眠狀態(tài)并被周期性地喚醒。在一秒或者更多的時間里,系統(tǒng)可以喚醒電話并多次檢查呼叫信號,可以通過喚醒所需的平均消耗電流以及檢查一個呼叫所花費的時間來進行折中。

加強型射頻電話的喚醒時間序列是相當復雜的。由于每次呼叫整個射頻部分都被打開,所以通過觸發(fā)不同子系統(tǒng)的打開時間,在待機時間下的的測量可以得到改善。

當處理器被喚醒后,處理器必須打開供給RF電路的直流電壓。首先調(diào)節(jié)合成器讓電源穩(wěn)定,然后打開接收器的模擬放大器部分,并指引它們執(zhí)行自校準程序。天線的開關設定到接收狀態(tài),同時射頻前端被打開。使能DSP并開始處理轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號。只要接收到數(shù)據(jù),射頻和模擬部分就被關閉,而DSP完成數(shù)據(jù)的解碼并確定如何處理。除非需要對數(shù)據(jù)進行處理,否則處理器都將返回到睡眠狀態(tài),直到下一次數(shù)據(jù)的到來。

PDA在每一次觸摸之間可以返回到睡眠模式下,而電話在通話模式下的數(shù)據(jù)處理量是很大的。在GSM電話的每一次呼叫期間,除了接收脈沖次數(shù)更多而外,大約每秒200次左右,射頻電路的定時是相似的。對于GSM使用的時隙來說,接收器和發(fā)送器的射頻及模擬部分打開的時間大約各占12%。很明顯在發(fā)送期間消耗的電流是最大的。

移動電話中的其它電路,如音頻電路等都是通過呼叫來打開的。由于使用者在任何時候都可能有通話,所以麥克輸入信號的偏移、放大、數(shù)字通道等都必須連續(xù)運行。由于僅需把語音信號傳輸給使用者,所以從音頻接收到揚聲器的部分應可關閉和打開。

為了避免在關閉和打開直流電壓中的噼啪以及滴答聲,音頻放大器的模擬部分需要盡可能的保持連續(xù)打開狀態(tài),以放大提示使用者還在連接的呼叫信號。但是當對方?jīng)]有說話時,數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬語音的處理過程就不需要了,這樣,DSP的運行就可以減慢以節(jié)約功耗。對于其它的功能,如照相、背光顯示或者閃爍的多顏色鍵盤燈都會消耗功率,所以設計時應保證效率的最優(yōu)化,并且應該僅在需要時才打開。

處理器通過高速SPI總線發(fā)送命令,通過把電源調(diào)節(jié)器、音頻以及其它的電源管理功能集成到一塊IC中,芯片使能引腳的數(shù)目可以減小,只用一個命令就可以控制多個功能,從而可以降低使用的元器件數(shù)。