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作者: 发布时间:2009-04-19 15:57:25 来源: 繁体版
&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp 便携式设备,如:PDA、智能电话和数码相机等在电池供电产品中具有特殊的电源管理要求,效率指标固
                   便携式设备,如:PDA、智能电话和数码相机等在电池供电产品中具有特殊的电源管理要求,效率指标固然重要,而来自尺寸和价格方面的压力也要通过不同的设计加以平衡,这些实际要求都不同于笔记本电脑等电池供电设备的设计。除了对尺寸和重量的限制外,手持产品还需解决散热问题。这些产品中不可能安装风扇,也不可能容忍较高的温度,如果这些问题得不到解决,对元件尺寸的苛刻要求很难使其达到适当的效率,同时,小型电池需要严格的电源管理,上述因素都是当电源集成在系统内部时所要考虑的。   大多数便携式设备需要多路电源电压,例如:用于I/O逻辑的3.3V电源、用于存储器供电的2.5V电源以及用于CPU核的1.5V电源等。这些电源必须具有较高的转换效率,通常选用降压型DC-DC转换器。在单片IC中集成多路转换器(图1)有利于节省空间,但是,还必须提供设计的灵活性,除非IC是专用的ASIC。      图1 为减小尺寸,多路输出电源是PDA设计的理想选择,但还需要考虑设计的灵活性问题,以符合设计变化的需求。  低成本设计中,如果电池电压与稳定的输出电压相比不是很高,负载电流足够低、不会造成系统过热,这种情况下,低压差线性稳压器(LDO)是比较理想的选择。当从1节Li+电池产生3.3V输出时,Li+电池的有效电池电压变化范围大约是:4.2V至3V,输入4.2V时,LDO效率近似为79%;当电池电压降到3.6V(Li+电池工作时间最长的工作点)时,LDO效率为92%。尽管高质量的DC/DC转换器可以提供95%以上的转换效率,但LDO此时所能提供的转换效率也很高,而且成本要低得多。如果系统电压可以从3.3V降至3V,DC-DC转换器的优势将明显提高,但是,即使在这种情况下LDO也是一种较好的选择方案。  便携产品的另外一个关键参数是转换器的工作电流(静态电流),手持终端可能有相当长的时间处于"待机"模式,只消耗几个毫安的负载电流,所以,尽可能降低转换器的静态电流、优化电池的待机时间使系统数据得以保持,避免用户频繁为电池充电(或更换电池),特别是在不使用手持装置的情况下                图2 两种通用的白色LED驱动方案,用于TFT背光。  在任何计算装置中,对显示器的要求都比较严格,小型(2″至4″)彩色TFT显示屏在手持设备中较为通用,显示器电源可能消耗电池的绝大部分能量。采用TFT显示器需要将很大一部分能量用于背光,与CCFL和EL背光源相比,白色LED由于其出色的效率和简单的驱动电路在小型TFT显示器背光中得到广泛应用。白色LED具有较高的正向电压(3.0V至4.0V),常常需要一个升压电路,该升压电路采用电荷泵结构或基于电感的设计,花费在背光效率上的成本由显示器工作的频繁程度决定。图2给出了两种选择方案,基于电感的设计可提供最佳的转换效率、并在电池将要耗尽时仍可保持恒定的LED亮度;电荷泵器件成本较低,但效率也较低。  电池充电器是手持产品设计中所面临的另一挑战,Li+电池的广泛应用提供了一种高品质、结构紧凑的可充电能源,而且,Li+电池充电IC具有较低的成本,因为这种充电器的关键在于一个精确的终止电压检测(而不像NiMH电池那样需要复杂的电压斜率检测),这在IC设计中是很容易实现的。内置式充电器需要考虑热量问题,利用开关模式充电器可以不考虑散热,当充电电流为750mA甚至更低时可以选用线性充电器,特别是内部带有热控制环路的线性充电器能够在极限温度或极限电压的情况下自动限制充电电流,获得更好的充电效果。  一个成功的电源管理方案需要综合考虑诸多因素,并非所有电源都要集成到单片IC上,高集成度电源在一定程度上有助于系统设计,但还要考虑电源管理是整个产品的一部分,电源设计方案的选择多种多样,避免以下缺陷有助于优化设计:   1) 完成系统的其余设计后才考虑电源管理方案,市场的影响力、进度和策略的要求很难避免这种情况,一种解决途径是在设计初期尽可能早地与电源IC供应商沟通,通过接触硬件设计人员至少可以了解到设计中的一些关键因素和不同方案的成本(费用和工程投入的折衷) 。如果可以参与固件设计,电压监视、负载控制、电池电量计等电路可以占用很少的硬件成本、甚至完全省去硬件花费。  2) 对用户的使用情况了解甚少。了解设备的使用情况可以避免电源性能的浪费或不适当的性能要求,例如,设备是否长期处于休眠模式?设备为固定负载还是脉冲负载?设备关闭时停留在什么状态?负载是脉冲方式时,可能需要提高最小电池工作电压,这将减小电池的可利用能量。必须了解每种工作状态(关闭、休眠、运行等)和处于每种状态的时间百分比,如果你的产品在大多数情况下是关闭的,而且功耗较低,设计中就需要努力优化轻载下的转换效率,最大限度地利用电池能量。同样,如果某个电源通道的功率仅占总功耗的10%,也就不必投入过大力量改善这个通道电源的转换效率。  3) 过低或过高地定义了负载电流, 这一点也是难免的,特别是在系统设计初期没有考虑电源设计的情况下。如果电源所能提供的电流较低,就不得不重新设计电源,这当然是最不幸的。但是,更容易出现的错误是过高估计系统对功率的需求,为电源负载电流留出过多的安全裕量,从而造成产品尺寸大、重量大、成本高,还会使效率受损失。原因是较大的MOSFET具有较大的电容和更大的开关损耗,大多数手持产品的DC-DC转换器运行在500kHz或更高的频率下,这样做有利于减小元件尺寸,但此时MOSFET的动态损耗可能等同于、甚至高于电阻损耗。较大的MOSFET可提供大电流,但它同时也会使电源的峰值电流过大,消耗电池能量,为了延长电池的使用时间可能不得不花费更多的金钱。               

为手持产品选择电源管理方案EDN CHINA 电子设计技术 作者:Len Sherman,Maxim Integrated Products
  
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