智能型手機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)今科技所需求的手機(jī)電池除了要能夠長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)穩(wěn)定電源外,體積小重量輕也是關(guān)鍵。縮小電路板面積、增長(zhǎng)供電時(shí)間與減少成本該如何畢其功于一役？將眾多電源管理組件整合在單一芯片上將是解決問(wèn)題的最好途徑。

早期的行動(dòng)電話不是體積笨重龐大,就是必須受到汽車(chē)電池的束縛,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,今天的行動(dòng)電話已變得非常輕巧,除了電話功能,它們還會(huì)做許多事。新型3.xG智能型手機(jī)把傳統(tǒng)的2G行動(dòng)電話和多種其它功能結(jié)合在一起,包括PDA、數(shù)字相機(jī)、音樂(lè)播放機(jī)（MP3）以及全球定位系統(tǒng)（GPS）。如此多元的功能需要許多零件,其中絕大多數(shù)的電源電壓并不相同,電流需求則不斷增加,使得它們需要更多電力。(圖一)是從2G語(yǔ)音電話升級(jí)到3G視訊電話后,功率需求增加的估計(jì)值。

圖一功耗值

在此同時(shí),消費(fèi)者卻想要更精巧的手機(jī)。本文介紹兩種電源管理系統(tǒng),它們可以協(xié)助智能型手機(jī)設(shè)計(jì)人員在彼此沖突的目標(biāo)間取得平衡,例如將封裝減至最小,同時(shí)支持更大的功率需求;實(shí)現(xiàn)最佳效率,讓電池提供最長(zhǎng)的使用時(shí)間;以及將電源噪聲和漣波降至可接受水平,以支持新世代的行動(dòng)電話。

選擇電池

選擇充電電池是電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要工作之一,鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實(shí)際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270～300Wh/l,單位重量蓄電量為110～130Wh/kg,都高于鎳氫電池的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同樣蓄電量下,鋰離子電池的體積和重量都小于鎳氫電池;另外,鋰離子電池的3.6V工作電壓也高于鎳氫電池的1.2V。

行動(dòng)電話的多數(shù)功耗都來(lái)自于1.2V和3.3V電源,要讓交換式電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最大工作效率,較有效的方法通常是從高電壓轉(zhuǎn)換至低電壓,而不是從低電壓轉(zhuǎn)換至高電壓,因此鋰離子電池是最佳選擇。

要讓充電電池提供最長(zhǎng)使用時(shí)間,適當(dāng)?shù)碾姵毓芾砗涂刂凭惋@得格外重要。電池管理包含三個(gè)部份：充電控制、電池監(jiān)視和電池保護(hù)。從使用外接導(dǎo)通組件的線性控制器開(kāi)始,到內(nèi)建開(kāi)關(guān)組件且效率更高的交換式控制器,充電控制組件已有長(zhǎng)足進(jìn)步。電池充電器必須處理500mA到1500mA范圍內(nèi)的電流,以便提供快速的充電周期時(shí)間。

電池監(jiān)視和保護(hù)組件通常都與電池封裝在一起,電池監(jiān)視組件可以是簡(jiǎn)單的「電荷計(jì)量器」（coulombcounter）,由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池剩余電力;也可以是內(nèi)建微控制器的電池電力量測(cè)組件（gasgauge）,由它透過(guò)DSP與處理器之間的簡(jiǎn)單界面,直接提供剩余電力、剩余供電時(shí)間、電池電壓、溫度和平均電流量測(cè)值等資料。

電源拓樸

接著,設(shè)計(jì)工程師必須決定電源轉(zhuǎn)換組件的種類(lèi),它或許是以電感為基礎(chǔ)、并且內(nèi)建FET開(kāi)關(guān)的交換式電源轉(zhuǎn)換器、無(wú)電感的交換式電源轉(zhuǎn)換器（電荷泵浦）或是線性穩(wěn)壓器。這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)點(diǎn)。就效率而言,以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器擁有最高的整體效率,其次是電荷泵浦,最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常反比于效率,因此線性穩(wěn)壓器成本最低,然后是電荷泵浦,最后則是以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器。