[电源管理策略推动便携式设计发展]手机电源管理软件

　　摘要:电池和系统电源管理控制器中的出厂预设选项能尽量减少外部元件的使用,而不会牺牲性能。使用的元件越少,变化因素也越少,发生系统故障的可能性也越低。 　　 与单片机或其他模拟产品不同,电源管理器件的布板通常需要考虑合理的散热和噪声控制。已经开发出具有电源管理功能的高度集成内核处理器/芯片,能最大程度降低电路板面积,减少元器件总数量,从而降低系统总成本。但是,工程师们在遇到引脚数很多的集成电路时,布板和散热仍然是要面对的主要问题。因此,选择适当的元件和布局事关产品的成败。分立式控制器在保持器件外形小巧和成本低廉的同时,能帮助设计师灵活开发智能的电池和电源管理系统。
　　
　　 在设计便携式电子设备时,设计师在整个产品规划环节中往往优先考虑大小(外形因子)、功能、性能和用户界面,而最后考虑电源系统。可是,便携式电源系统的选择往往决定了一款产品的成败。便携式电源系统一般包括但不限于电池系统、线性稳压器、DC-DC 转换器、系统监管和保护电路。图1显示了典型手持设备系统级框图的两个示例。在设计电池供电系统时有许多功率传递结构可供选择。在为应用选择最适合的结构时,需要综合考虑系统负载电流(平均、峰值和待机电流)、电压要求、印制电路板(PCB)可用空间、所需功能及系统总成本等因素。虽然一些高度集成的电源管理解决方案具有某些功能,可以让设计师减少外部元件、提高性能、缩短设计时间并降低相关成本。但是,仍然会有一些困难迫使设计师选择集成度较低的解决方案来开发便携式产品。
　　
　　1原电池技术
　　
　　 选用的电池技术将决定便携式电子设备的复杂性、成本、尺寸和性能。电池可以大致分为两类 ―― 原电池和蓄电池。原电池的电化学反应不可逆,所以不能充电,使用后必须丢弃。原电池通常设计用于长时间处于待机状态、使用时只消耗少量电能的应用,如电视机或娱乐系统的遥控器。原电池也可用于每次消耗电能不多的小型家用医疗仪器。
　　 在便携式电子设备中,如果使用不可充电电池作为主要电源,电池寿命就至关重要。为延长电池寿命,设计师通常会让系统或设备进入待机模式,只有极少数功能模块在轻载状态下运行。有时,设计师还会采用关机模式,仅在必要时唤醒器件。如今,半导体已提供了许多让功耗最小化的功能。系统需要的静态电流越小,其待机或休眠模式保持时间就越长。
　　 图 2 显示了两种不同类型的低压差(LDO)稳压器。第一种的典型静态电流为 1.6 μA,第二种为 53μA。当输入电压为 3.3 V、输出电压为 2.5 V 时,LDO 在较高负载电流下的效率为 75.75%,此时 LDO 的静态电流较低。不过,在 1 mA 或更低的输出电流负载条件下,LDO 的静态电流开始增大而无法忽略不计,而且这两种 LDO 的效率也开始出现变化。
　　 在 LDO 输出电压必须始终保持有效、但大多数时间内都必须处于极低负载甚至无负载状态的情况下,低静态电流 LDO 是便携式电源系统的绝佳选择。公式1说明了 LDO 效率的计算方法。当静态电流远低于输出电流时,可以忽略不计。
　　 如图 2a 所示,在负载极低或无负载条件下,低静态电流 LDO 的效率更高。虽然如此,高静态电流 LDO 在性能方面仍然有用武之地。和许多性能参数一样,获得低静态电流的代价不菲。图 2b 比较了相同器件的负载阶跃性能。两个 LDO 的负载阶跃均为100 mA。与要求高电流的 LDO 相比,低静态电流 LDO 需要的运行电流更低,对负载和线路瞬变的响应更慢,且电源噪声抑制更低。
　　 由于成本低、使用方便且不会造成任何开关电磁干扰问题,LDO 已广泛应用于便携式设备中。当输入和输出电压之间的压差增大时,LDO 的效率会下降。公式 1 说明了这种效率变化。因为 LDO 的耗散功率值为压降(输入电压-输出电压)与输出电流之积,在压差增大时功耗也会随之增加。当输入电压和输出电压之间压差较大时,降压开关稳压器能提供更高的效率和更好的性能。通过增加开关频率,体型较小的便携式设备内部可选用更小的电感。稳压器可在不同负载条件下采用不同工作模式使自身性能得到改进。
　　 为达到理想电压,升压(增压)控制器通常需要设计使用多节原电池,如碱性电池。单节碱性电池的典型工作电压为 1.5 V 到 1 V。大多数化学电池的实际工作电压都与负载有关,并因制造商的不同而有所差异,碱性电池也不例外。在轻载条件下,单节碱性电池的截止电压可达到 0.9 V 或更低。因此,一些小型应用会尝试充分利用单节电池实现更长的运行时间。当增压控制器用于此类应用时,能为不需要重负载的系统提供非常低的最小输入电压。
　　
　　2蓄电池技术
　　
　　 蓄电池可以充电,每次使用后能重新储存电能。可充电电池通常设计用于需要频繁更换电池的便携式电子设备中。可充电电池经济环保,能减少因更换电池而产生的废物量,并能与可再生能源储存系统结合使用。设计可充电电池的放电性能时要考虑的因素与原电池相似,但必须考虑增加充电电路用于恢复电池的电能。
　　 镍镉(Ni-Cd)、镍氢(Ni-MH)和锂离子(Li-Ion)电池都是广泛应用于便携式电子设备的可充电化学电池。虽然镍镉电池并不环保,但因其成本低、寿命长和内阻低,已成为电动工具的绝佳之选。为混合动力汽车或电动自行车新近研发的磷酸锂铁(LiFePO4)电池能提供较高的放电电流。随着技术的日趋成熟和电池的批量生产,磷酸锂铁电池有望成为镍镉电池的完美替代品。目前镍氢电池是镍镉和碱性电池的环保替代品。AA 和 AAA 型(5 号和 7 号)镍镉和镍氢电池的标称电压为 1.2 V,与碱性电池的标称电压相近,因而可轻松替代碱性电池。
　　 锂离子电池是在便携式设备中应用最广的可充电电池。锂离子电池具有电池电压高、自放电率低和能量密度高的特点,手持产品设计人员可利用它开发出火柴盒大小的器件,运行时间可达数小时,而待机时间则可达数天。典型的锂离子电池不能过度充电。锂离子电池过度充电很容易造成电池退化,并可能引起极大的安全隐患。锂离子电池一般都自带保护电路,防止过度放电和过度充电。在为可充电电池充电时,应小心谨慎。
　　 最近几起媒体播放器在充电时发生爆炸的事故以及以前发生的笔记本电脑电池召回事件再次给工程师们敲响了警钟,在设计和生产过程中应时刻保持警惕。传统的锂离子电池充电管理控制器需要大量的外部元件,如电容、电阻、MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)和二极管等。高度集成的系统负载均衡和电池管理控制器能让便携式电子产品设计师开发出由锂离子电池供电的系统,延长锂离子电池的使用寿命。
　　 造成锂离子电池退化的三大因素包括:1) 过度充电;2) 过度放电;3 )过热 。表 1 列出 Microchip MCP73871 充电管理控制器在克服上述问题中所提供的功能,如图 3 所示。
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