一种优化便携式设备的电源系统

　　引言

　　便携式电子设备在我们的日常生活中占据重要地位，大多数消费者至少拥有一部手机，通常至少还有一部其它设备。各种便携式设备已成为电源管理市场的重要推动力量。

　　便携式设备电源系统设计

　　面临的挑战

　　便携式设备的设计必须满足对最大处理能力的需求，并且不产生过多的热量。而即使对于经验最丰富的电源工程师，设计电池供电的多电压电源系统也一直是一个挑战。不仅如此，更加困难的是还需要找到一种对电源管理系统进行优化和集成的方法，以满足外形尺寸更小、功能更强和性能更高的需求。

　　利用高度集成的电源管理系统，设计人员可确保电源系统的所有元件以最佳的方式协同工作，并降低电池消耗。在便携式设计中，可通过为应用系统选择最佳的系统电压和采用合适的电源元件使电源系统得到优化。

　　续航时间

　　续航时间(电池重新充电之前便携式设备能够在电池供电下工作的时间)是由电池容量、电源系统的效率等因素及软件电源管理能力决定的。如果电源系统的所有元件能协同工作来降低电池消耗，就可延长续航时间。早期的手机使用镍镉电池和4个低压差稳压器(LDO)可使通话时间达到1小时左右，但在更新款的中高端手机中，同种类型的电池系统只能提供5~10分钟的通话时间。今天的便携式应用要求从电池获得更多的能量，但电路板空间十分有限，这使得电源系统的设计极具挑战性。

　　布线与成本

　　具有音频、电池充电、通信、管理软件和照明功能等二十多个电源域的高度集成的电源管理系统目前广泛用于便携式应用。对于系统架构师而言，由于元件分布在便携式设备中各个位置上，如何安排从每个电源到元件的布线是一个挑战。负载往往放置在远离电源管理芯片(PMIC)的地方，这不但给PCB布线带来困难，而且会造成线电压波动和电源线噪声增大。在负载点(POL)使用稳压器有助于降低线电压波动和噪声，但PMIC本身的功耗也可能带来问题。随着便携式设备的发展，“使用单一大型PMIC满足所有需求”的设计思想已无法满足互联网浏览器等新型高耗电应用的需求。此外，对于简单的单语音应用，由于电源的许多部分将不会被用到，大型PMIC可能因大材小用而增加不必要的系统成本。外围电源产品可辅助PMIC提高系统效率。

　　功耗

　　对于便携式设备，功耗已成为最重要的设计挑战。随着对计算能力需求的不断提高，基于微处理器的高速便携式设备持续增长，今天的一些便携式设备的处理能力大约相当于2000年的台式计算机，如此高的性能需求将大大缩短电池续航时间。例如，运行于智能电话、便携式媒体播放器、数码相机、个人导航系统和便携式医疗设备等各种超便携式设备中的复杂专用软件需要非常高的时钟速度。这些设备对电源系统的要求与智能手机非常相似，如一些医疗设备利用蜂窝或802.11数据网络将数据传送给医生，实现全天候连续的病人监护。系统架构师必须设计续航时间长的系统来满足任务要求。这些功能强大的应用需使用高耗电处理器，进一步缩短了系统的续航时间。在功耗和电池续航能力之间寻求平衡是便携式系统的一个关键的设计考虑。降低处理器速度可减少功耗并延长电池的运行时间，但软件性能也会随之降低。系统架构师必须为应用系统选择最合适的处理器速度，以提供最佳的用户体验。

　　解决之道

　　如图1所示，便携式系统通常包含下列部分或全部组件：电池、充电器、微处理器、用于人机接口的按钮或滚动条、存储器(SDRAM、闪存、微硬盘)、显示器、LED照明和音频。从互联网上能找到的各种产品拆解报告可看出，便携媒体播放器、便携导航系统、智能电话、数码相机及医疗设备有很大的相似性。ADI公司的便携式电源器件可工作在所有便携式平台上，并可根据外围电源POL的需求添加到系统中。

　　降低处理器速度可降低功耗并延长电池的运行时间，但同时也降低了软件性能。系统架构师必须在满足关键性能要求的同时尽量降低功耗。使用高效DC-DC转换器来驱动LDO可提高系统效率并延长电池续航时间，进而解决这些问题。对于输出电压随着放电过程下降的应用，图2所示的使用ADP2108降压型DC-DC转换器来驱动ADP170 LDO的系统可延长电池续航时间。下面针对两种情形来比较一下该系统与简单LDO的效率。

　　情形1：LDO直接与电池相连。LDO效率=[(Vout×Iout)/((Vin×(Iout+Iq))]×100%。Iq同Iout相比很小，在此忽略。因而，LDO的效率约等于Vo/Vin×100%。对于可充电锂离子电池，可用的输出电压范围为3.0V~4.2V。系统将在电压为3V时关断。当Vbat=4.2V时，LDO效率=(2.3/4.2)×100%=55%;当Vbat=3.6V时，LDO效率为64%;当Vbat=3.0V时，LDO效率为77%。请注意，输入电压越接近输出电压，效率越高。在电池放电过程中，有20%的工作时间平均效率约为55%，有60%的工作时间平均效率为64%，另有20%的工作时间平均效率为77%。而对于LDO直接连接到电池的电路，整个工作时间的平均效率为65%。

　　情形2：使用ADP2108降压型稳压器和ADP170 LDO完成二级电压转换(见图2)。无论电池电压为多少，降压稳压器的输出电压均保持在2.5V。因而，LDO效率恒等于(2.3/2.5)×100%=92%。可使用Analog Buck Designer工具来计算ADP2108的效率。

　　在输入电压范围内和300mA负载电流下，ADP2108的效率平均在90%以上。因此，该系统的效率(ηeff)=(ηDC×ηLDO)×100%=(0.9×0.92)×100%=83%。使用降压型稳压器和LDO可将系统效率从56%提高到83%，比简单LDO提高了28%。如果把这种节能技术应用到具有多个电源轨的便携式系统中，由于提高了各个负载的效率，整个系统的效率将会相应提高，并大大延长电池的续航时间。

　　即使不考虑电池续航时间，LDO的功耗仍是一个问题。未提供给负载的功率在LDO中以散热的形式耗散掉。耗散掉的功率估计为：PD=(VIN-VOUT)×IOUT。对情形1的最坏情况，Vin=4.2V，PD=570mW。这意味着当把充满电的电池连接到LDO时，超过0.5W的功率以散热形式浪费掉，并导致便携式设备温度上升。如果设计人员使用这种技术来实现系统中的所有电源，设备将很快耗尽电池电能，尽管在冬天它可能是非常不错的暖手器。

　　结语

　　综上所述，系统架构师可通过为应用选择最合适的系统电压、使用恰当的电源元件并通过使电源系统的所有元件协同工作来降低电池消耗。