手機的電源管理設計要點(diǎn)及方法分享

　　隨著(zhù)手機的功能越來(lái)越多，用戶(hù)對手機電池的能量需求也越來(lái)越高，現有的鋰離子電池已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足消費者對正常使用時(shí)間的要求。對此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開(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換效率和節能方面下功夫。

　　為手機提供電能的技術(shù)在最近幾年雖有不少創(chuàng )新和發(fā)展，但是還遠遠不能滿(mǎn)足手機功能發(fā)展的需要，因此如何提高電源管理技術(shù)并延長(cháng)電池使用壽命，已經(jīng)成為手機開(kāi)發(fā)設計中的主要挑戰之一。

　　同時(shí)，設計者還必須明白消費者對手機的要求，這主要體現在以下幾個(gè)方面：第一，體積小。這要求提高系統的集成度，縮小元器件的封裝體積，減小PCB板的面積，這可能會(huì )增加設計中解決電磁干擾（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。目前大部分手機都使用單節鋰離子或鋰聚合物的電池，容量為850-1000mAH。第三，通話(huà)時(shí)間長(cháng)。要求提高工作時(shí)對電池中電能的轉換效率，減少待機時(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、便于設計使用，硬件軟件平臺統一，便于增加新的功能和特色。

　　因此，手機的電源管理要在進(jìn)行手機系統方案設計時(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化效率和提高電能的使用效率兩方面著(zhù)手進(jìn)行手機的整體電源管理。

　　一、提高電能的轉化效率

　　隨著(zhù)對電源管理要求的不斷提高，手持設備中的電源變換從以往的線(xiàn)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)勢和劣勢，適用于不同的場(chǎng)合。

　　線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源的幾分之一。LDO的封裝從SOT23到SC70、QFN，直至WCSP晶圓級芯片封裝，非常適合在手持設備中使用。對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(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 )浪費很多電能，而且會(huì )造成芯片發(fā)熱影響系統穩定性。

　　開(kāi)關(guān)式電源

　　電感式開(kāi)關(guān)電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負載提供持續不斷的電流。通過(guò)不同的拓撲結構，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉的功能。

　　電感式開(kāi)關(guān)電源具有非常高的轉換效率。在產(chǎn)品工作時(shí)主要的電能損耗包括：內置或外置MOSFET的導通損耗，主要與占空比和MOSFET的導通電阻有關(guān);動(dòng)態(tài)損耗，包括高側和低側MOSFET同時(shí)導通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗和驅動(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);靜態(tài)損耗，主要與IC內部的漏電流有關(guān)。

　　在電流負載較大時(shí)，這些損耗都相對較小，所以電感式開(kāi)關(guān)電源可以達到95%的效率。但是在負載較小時(shí)，這些損耗就會(huì )相對變得大起來(lái)，影響效率。這時(shí)一般通過(guò)兩種方式降低導通損耗和動(dòng)態(tài)損耗，一是PWM模式：開(kāi)關(guān)頻率不變，調節占空比。二是PFM模式：占空比相對固定，調節開(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）。

　　為了減小對大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開(kāi)關(guān)頻率是非常有效的辦法。

　　電容式開(kāi)關(guān)電源

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

　　由于電荷泵內部機構的關(guān)系，當輸出電壓與出入電壓成一定倍數關(guān)系時(shí)，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達90%以上。但是效率會(huì )隨著(zhù)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。所以設計者應盡量利用電荷泵的最佳轉換工作條件。

　　由于儲能電容的限制，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(kāi)關(guān)電源之間，具有較高的效率和相對簡(jiǎn)單的外圍電路設計，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

　　在手機中，減少能量的浪費、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。

　　手持設備電源系統一般結構

　　信號處理系統

　　信號處理系統主要是信號處理器是手機的核心部分，它如同人的心臟，會(huì )一直工作，因此它也是一個(gè)主要的手機電能消耗源。那么應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：分區管理。將處理某項任務(wù)時(shí)不需要的功能單元關(guān)掉，比如在進(jìn)行內部計算時(shí)，將與外部通信的接口關(guān)斷或使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了達到這一目的，手機中的信號處理器往往涉及很多個(gè)內部時(shí)鐘，控制著(zhù)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：改變信號處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數的信號處理器是用CMOS工藝制造的。在CMOS電路中，最大的一項功率損耗是驅動(dòng)MOSFET 柵極所引起的損耗?？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。所以針對不同的運算和任務(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。

　　DVS（動(dòng)態(tài)電壓調整）技術(shù)有效地將處理器與電源轉換器連接成閉環(huán)系統，通過(guò)I2C等總線(xiàn)動(dòng)態(tài)地調節供電電壓，同時(shí)調節自身的頻率。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(xiàn)對各路輸出電壓進(jìn)行調節，非常適合為 OMAP和類(lèi)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中又一能量消耗大戶(hù)，輸出功率可達750mW，對于帶有免提功能的手機可達2W。如何提高放大器的效率呢？傳統的技術(shù)采用 AB類(lèi)線(xiàn)性放大器，其效率隨輸出功率變化，最好只有70%。使用D類(lèi)功率放大器，利用PWM的方式，可使效率提高到85-90%。

　　目前為了使設計者更方便地進(jìn)行電源管理，一些廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)了電源管理的軟件用于嵌入式操作系統。運用這類(lèi)操作系統，可以有效地降低軟件編制中的工作量，同時(shí)優(yōu)化系統的電源管理。

　　電源管理對手持設備日趨重要。一個(gè)高效的系統是要將電源管理的觀(guān)念貫穿于設計的每一個(gè)環(huán)節，并且平衡系統多方面因素設計完成的。隨著(zhù)半導體技術(shù)和電路設計技術(shù)的發(fā)展，會(huì )有越來(lái)越多的節能技術(shù)涌現，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。