為手持產品選擇電源管理方案

2019-11-03 10:00:09

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供稿：網友

Len Sherman，Maxim Integrated PRoducts

　　便攜式設備，如：PDA、智能電話和數碼相機等在電池供電產品中具有特殊的電源管理要求，效率指標固然重要，而來自尺寸和價格方面的壓力也要通過不同的設計加以平衡，這些實際要求都不同于筆記本電腦等電池供電設備的設計。除了對尺寸和重量的限制外，手持產品還需解決散熱問題。這些產品中不可能安裝風扇，也不可能容忍較高的溫度，如果這些問題得不到解決，對元件尺寸的苛刻要求很難使其達到適當的效率，同時，小型電池需要嚴格的電源管理，上述因素都是當電源集成在系統內部時所要考慮的。

　　大多數便攜式設備需要多路電源電壓，例如：用于I/O邏輯的3.3V電源、用于存儲器供電的2.5V電源以及用于CPU核的1.5V電源等。這些電源必須具有較高的轉換效率，通常選用降壓型DC-DC轉換器。在單片IC中集成多路轉換器（圖1）有利于節省空間，但是，還必須提供設計的靈活性，除非IC是專用的ASIC。

　　圖1 為減小尺寸，多路輸出電源是PDA設計的理想選擇，但還需要考慮設計的靈活性問題，以符合設計變化的需求。

　　低成本設計中，如果電池電壓與穩定的輸出電壓相比不是很高，負載電流足夠低、不會造成系統過熱，這種情況下，低壓差線性穩壓器（LDO）是比較理想的選擇。當從1節Li+電池產生3.3V輸出時，Li+電池的有效電池電壓變化范圍大約是：4.2V至3V，輸入4.2V時，LDO效率近似為79%；當電池電壓降到3.6V（Li+電池工作時間最長的工作點）時，LDO效率為92%。盡管高質量的DC/DC轉換器可以提供95%以上的轉換效率，但LDO此時所能提供的轉換效率也很高，而且成本要低得多。如果系統電壓可以從3.3V降至3V，DC-DC轉換器的優勢將明顯提高，但是，即使在這種情況下LDO也是一種較好的選擇方案。

　　便攜產品的另外一個關鍵參數是轉換器的工作電流（靜態電流），手持終端可能有相當長的時間處于"待機"模式，只消耗幾個毫安的負載電流，所以，盡可能降低轉換器的靜態電流、優化電池的待機時間使系統數據得以保持，避免用戶頻繁為電池充電（或更換電池），特別是在不使用手持裝置的情況下。

　　圖2 兩種通用的白色LED驅動方案，用于TFT背光。

　　在任何計算裝置中，對顯示器的要求都比較嚴格，小型（2″至4″）彩色TFT顯示屏在手持設備中較為通用，顯示器電源可能消耗電池的絕大部分能量。采用TFT顯示器需要將很大一部分能量用于背光，與CCFL和EL背光源相比，白色LED由于其出色的效率和簡單的驅動電路在小型TFT顯示器背光中得到廣泛應用。白色LED具有較高的正向電壓（3.0V至4.0V），常常需要一個升壓電路，該升壓電路采用電荷泵結構或基于電感的設計，花費在背光效率上的成本由顯示器工作的頻繁程度決定。圖2給出了兩種選擇方案，基于電感的設計可提供最佳的轉換效率、并在電池將要耗盡時仍可保持恒定的LED亮度；電荷泵器件成本較低，但效率也較低。

　　電池充電器是手持產品設計中所面臨的另一挑戰，Li+電池的廣泛應用提供了一種高品質、結構緊湊的可充電能源，而且，Li+電池充電IC具有較低的成本，因為這種充電器的關鍵在于一個精確的終止電壓檢測（而不像NiMH電池那樣需要復雜的電壓斜率檢測），這在IC設計中是很容易實現的。內置式充電器需要考慮熱量問題，利用開關模式充電器可以不考慮散熱，當充電電流為750mA甚至更低時可以選用線性充電器，特別是內部帶有熱控制環路的線性充電器能夠在極限溫度或極限電壓的情況下自動限制充電電流，獲得更好的充電效果。

　　一個成功的電源管理方案需要綜合考慮諸多因素，并非所有電源都要集成到單片IC上，高集成度電源在一定程度上有助于系統設計，但還要考慮電源管理是整個產品的一部分，電源設計方案的選擇多種多樣，避免以下缺陷有助于優化設計：

　　1) 完成系統的其余設計后才考慮電源管理方案，市場的影響力、進度和策略的要求很難避免這種情況，一種解決途徑是在設計初期盡可能早地與電源IC供應商溝通，通過接觸硬件設計人員至少可以了解到設計中的一些關鍵因素和不同方案的成本(費用和工程投入的折衷) 。如果可以參與固件設計，電壓監視、負載控制、電池電量計等電路可以占用很少的硬件成本、甚至完全省去硬件花費。

　　2) 對用戶的使用情況了解甚少。了解設備的使用情況可以避免電源性能的浪費或不適當的性能要求，例如，設備是否長期處于休眠模式？設備為固定負載還是脈沖負載？設備關閉時停留在什么狀態？負載是脈沖方式時，可能需要提高最小電池工作電壓，這將減小電池的可利用能量。必須了解每種工作狀態（關閉、休眠、運行等）和處于每種狀態的時間百分比，如果你的產品在大多數情況下是關閉的，而且功耗較低，設計中就需要努力優化輕載下的轉換效率，最大限度地利用電池能量。同樣，如果某個電源通道的功率僅占總功耗的10%，也就不必投入過大力量改善這個通道電源的轉換效率。

　　3) 過低或過高地定義了負載電流，這一點也是難免的，特別是在系統設計初期沒有考慮電源設計的情況下。如果電源所能提供的電流較低，就不得不重新設計電源，這當然是最不幸的。但是，更容易出現的錯誤是過高估計系統對功率的需求，為電源負載電流留出過多的安全裕量，從而造成產品尺寸大、重量大、成本高，還會使效率受損失。原因是較大的MOSFET具有較大的電容和更大的開關損耗，大多數手持產品的DC-DC轉換器運行在500kHz或更高的頻率下，這樣做有利于減小元件尺寸，但此時MOSFET的動態損耗可能等同于、甚至高于電阻損耗。較大的MOSFET可提供大電流，但它同時也會使電源的峰值電流過大，消耗電池能量，為了延長電池的使用時間可能不得不花費更多的金錢。

　　
摘自《END技術》

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