利用手機(jī)整體電源管理及解決方案提高電能的轉(zhuǎn)化效率

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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)間等多種因素，進(jìn)行最佳選擇?？偟膩?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(kāi)關(guān)式電源。但并非開(kāi)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(kāi)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(méi)有開(kāi)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=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(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。

1. 電感式開(kāi)關(guān)電源

電感式開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。

電感式開(kāi)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(kāi)