你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

如何提高手機電源管理技術(shù)并延長電池使用壽命?

發(fā)布時間:2015-03-12 責任編輯:xueqi

【導讀】目前,為手機提供電能的技術(shù)還遠遠不能滿足手機功能發(fā)展的需要,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(shè)計中的主要挑戰(zhàn)之一。本文將解決這些問題。
 
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。
 
同時,設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。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)。
 
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。
 
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(shè)計者應(yīng)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(shè)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際需要的地方,是省電的關(guān)鍵。
 
圖:手持設(shè)備電源系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)
 
信號處理系統(tǒng)
 
信號處理系統(tǒng)主要是信號處理器是手機的核心部分,它如同人的心臟,會一直工作,因此它也是一個主要的手機電能消耗源。那么應(yīng)如何提高它的效率呢?一般來說可采用以下兩種方法。
 
方法1:分區(qū)管理。將處理某項任務(wù)時不需要的功能單元關(guān)掉,比如在進行內(nèi)部計算時,將與外部通信的接口關(guān)斷或使其進入睡眠狀態(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內(nèi)部時鐘,控制著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(shù)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(qū)動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(動態(tài)電壓調(diào)整)技術(shù)有效地將處理器與電源轉(zhuǎn)換器連接成閉環(huán)系統(tǒng),通過I2C等總線動態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓,同時調(diào)節(jié)自身的頻率。TPS65010集成了充電電路、電感式DCDC和LDO。同時還可以通過I2C總線對各路輸出電壓進行調(diào)節(jié),非常適合為OMAP和類似的處理器供電。
 
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,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(tǒng)的技術(shù)采用 AB類線性放大器,其效率隨輸出功率變化,最好只有70%。使用D類功率放大器,利用PWM的方式,可使效率提高到85-90%。
 
目前為了使設(shè)計者更方便地進行電源管理,一些廠商開發(fā)了電源管理的軟件用于嵌入式操作系統(tǒng)。運用這類操作系統(tǒng),可以有效地降低軟件編制中的工作量,同時優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。
 
電源管理對手持設(shè)備日趨重要。一個高效的系統(tǒng)是要將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計的每一個環(huán)節(jié),并且平衡系統(tǒng)多方面因素設(shè)計完成的。隨著半導體技術(shù)和電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,會有越來越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn),為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。
要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉