手機電源管理技術(shù)探秘

　　隨著手機的功能越來越多，用戶對手機電池的能量需求也越來越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來越難以滿足消費者對正常使用時間的要求。對此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開發(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)并延長電池使用壽命，已經(jīng)成為手機開發(fā)設計中的主要挑戰(zhàn)之一。

　　同時，設計者還必須明白消費者對手機的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：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(jié)鋰離子或鋰聚合物的電池，容量為850-1000mAH。第三，通話時間長。要求提高工作時對電池中電能的轉(zhuǎn)換效率，減少待機時的漏電電流，提高使用效率。第四，價格便宜。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。要求元器件簡單易用、便于設計使用，硬件軟件平臺統(tǒng)一，便于增加新的功能和特色。

　　因此，手機的電源管理要在進行手機系統(tǒng)方案設計時綜合考慮，平衡省電、成本、體積和開發(fā)時間等多種因素，進行最佳選擇?？偟膩碇v，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行手機的整體電源管理。

　　一、提高電能的轉(zhuǎn)化效率

　　隨著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性電源逐漸走向開關(guān)式電源。但并非開關(guān)電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢和劣勢，適用于不同的場合。

　　·線性電源

　　LDO具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點。在輸出電流較小時，LDO的成本只有開關(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合，外圍只需2到3個很小的電容即可構(gòu)成整個方案。

　　超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢。TI的TPS793285輸出電壓的紋波不到35μVrms，又有極高的信噪抑制比，非常適合用作對噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時在線性電源中因沒有開關(guān)時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾（EMI），所以便于設計。

　　但LDO的缺點是低效率，且只能用于降壓的場合。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，效率為90.9%，而在輸出電壓為1.5V時，效率則下降為41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時，不僅會浪費很多電能，而且會造成芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　·開關(guān)式電源

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

　　電感式開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。在產(chǎn)品工作時主要的電能損耗包括：內(nèi)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)；動態(tài)損耗，包括高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時導通時的開關(guān)損耗和驅(qū)動MOSFET開關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關(guān)頻率有關(guān)；靜態(tài)損耗，主要與IC內(nèi)部的漏電流有關(guān)。

開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　在電流負載較大時，這些損耗都相對較小，所以電感式開關(guān)電源可以達到95%的效率。但是在負載較小時，這些損耗就會相對變得大起來，影響效率。這時一般通過兩種方式降低導通損耗和動態(tài)損耗，一是PWM模式：開關(guān)頻率不變，調(diào)節(jié)占空比。二是PFM模式：占空比相對固定，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

　　電感式開關(guān)電源的缺點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，提高開關(guān)頻率是非常有效的辦法。TI的TPS62040的開關(guān)頻率達1.2MHz，當輸出電流為1.2A時，外部電感只需6.2μH。今后TI還會推出開關(guān)頻率更高的產(chǎn)品。

　　·電容式開關(guān)電源

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

　　由于電荷泵內(nèi)部機構(gòu)的關(guān)系，當輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達90%以上。但是效率會隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化，有時效率也可低至70%以下。所以設計者應盡量利用電荷泵的最佳轉(zhuǎn)換工作條件。

　　由于儲能電容的限制，輸出電壓一般不超過輸入電壓的3倍，而輸出電流不超過300mA。電荷泵特性介于LDO和電感式開關(guān)電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設計，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。