应如何对便携式多媒体设备的电源进行有效管理

最新的市场研究报告显示，对消费类电子的需求依然很强劲。由于这些消费类电子产品变得越来越小巧轻便且电池使用寿命更长，便携式音频/视频播放器在消费类电子领域日益受到人们的青睐。

但是，消费者对更多功能与更高级性能的需求不断膨胀。视频编解码速度更快的处理器以及日益强大的硬盘驱动能力实现了在一个设备中集成音频/视频的功能，即便携式媒体播放器。按照压缩比率的不同，一款具有20GB硬盘的典型高端播放器可存储时长为60～80小时的MPGE视频或时长为500～600小时的MP3音频。一些型号还可能具有FM调频功能或数码相机功能。

设计挑战

不断发展的消费者需求对技术提出了新的挑战。音频/视频回放、游戏等功能都需要高效地使用电池电量。设计时尚、小巧、用户友好型器件需要采用极微小的电子与机械集成组件。为了尽可能延长工作时间，认真考虑电池的化学特性与容量以及电池电量监测功能是至关重要的。对功率转换电路的正确选择也决定着电池为系统供电的效率。器件有着严格的尺寸要求，因此设计人员应在小而薄的封装中采用集成组件，以确保良好的功耗性能。虽然先进的电源IC能在同一器件上集成数个电源通道，但我们必须了解系统的电源分组，以避免过度集成。在复杂的电子系统中，如果所有供电组件都集中在相同的位置，会造成电源管理器件到实际负载点的线迹过长，从而会导致噪声和散热问题，进而延长开发时间。

创新型解决方案

一款便携式媒体播放器处理器、内存以及显示器需要若干不同的电压轨和大量的电源电能。电池必须得到高效充电和管理，并实现从电池电压到IC 电源电压的高效率转换。否则，用于音频的电池使用时间持续16小时以及用于视频回放的电池使用时间持续5小时的目标就很难实现。

图1 典型便携式媒体播放器的电源子系统

图1显示了针对便携式媒体播放器的电源子系统。锂离子电池充电器能安全准确地给电池再充电，而精确的电池电量监测器件可确定充电状态，并有助于系统最大限度利用任何可用电量。数个电源转换器将电池电压转换为所需的系统电压。最重要的是为具有显示控制器与背光功能的TFT LCD显示器供电。对于内存以及其他组件而言，主电源为3.3V电压轨通常需要高达1A的电流。而对硬盘而言，3.3V的电源通常由独立的主电源电压轨提供，因为该电压轨由系统单独控制以实现在不需要时将其关闭，因此可节省能耗。处理引擎需要一些超低内核电压，1.2V或1.8V即可。音频必须是具有线性稳压器的稳压输出以过滤开关转换器的噪声。

充电器必须具备管理若干输入源的功能，如电脑与外设的USB端口以及AC/DC墙上适配器。在适配器引脚上的输入电压额定值高达18V，这不仅能避免系统在DC电源线路上出现过压峰值，而且还能使用价格较低的非稳压墙上电源。充电IC能够决定进入电池的实际充电电流和系统所用的电流。因此，在电池充电和系统运行同时进行的情况下，充电过程也不会出现非正常终止问题。上述解决方案实现了动态的电源管理，在系统和电池间合理分配可用的DC输入功率。如果系统电流上升，电池充电电流会自动降低，反之亦然。这样有助于优化成本，使墙上电源也能满足系统整体对电池与应用的平均用电需要，而不是必须采用满足最严格用电条件的电源。

我们可用电池电量监测计来精确测定剩余电池电量，从而进一步改善电池管理。这样，处理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充电时提醒用户，从而更好地管理媒体播放器的功耗。

媒体播放器的功率转换主要通过转换DC稳压器来实现。我们认为，就稳压工作而言，线性稳压器解决方案具有体积小和成本低等优势。但如果电流超过300A，就会因为功耗太高而需要占板很大且价格昂贵的散热片。如果输出电流较高且输入至输出的电压差分很大，就会发生此类问题。假设我们用3.6V的锂离子电池提供1.2V的内核电压，线性稳压器这时的工作效率只有33%，电池电力大部分都变成散热消耗掉了。DC/DC转换器的工作效率实际高达90%以上，其功耗仅为低压降稳压器 （LDO） 功耗的一小部分。

图3给出了高效功率转换的实例。为了给1.5V 500mA编码器/解码器引擎提供内核电压，我们采用了一款具有FET的高度集成的同步DC/DC转换器，从而实现了最大功率效率，并尽可能地减少了外部组件数。采用该解决方案时，无需使用占板较大的散热片。相对DC/DC控制器解决方案而言，高度集成的DC/DC转换器采用片上转换FET并实现内部补偿机制。这就是说，设计工程师不必选择外部晶体管，也不必采用昂贵而难用的设计软件来分析补偿与稳定条件。组件选择非常方便，我们只需按照产品说明书采用推荐的电感器即可。

图2 具有动态电源管理功能的双DC输入线性充电解决方案

图3 组件数量少且封装小巧的高频3MHz DC/DC转换器

图3中的DC/DC 降压解决方案显示了节省空间的特性。由于集成了开关晶体管，因此电路只需要一个电感器及两个电容器。该器件具有独特的控制架构，可以使电源对负载瞬变快速做出反应并保持高精度稳压。极高的3MHz开关频率可将电感器尺寸降至仅为1μH，从而能使用高度还不足1mm的芯片电感器。该整体解方案可以构建成适合5mm×5mm的应用。为进一步降低功耗，先进的DC/DC稳压器还提供自动 PFM/PWM 模式转换功能，在很大负载范围上，都能最大化转换效率。低负载电流运行时，转换器可进入脉冲频率调制（PFM）模式，而负载电流大于50mA时，脉冲宽度调制 （PWM） 控制方案则能对其提供支持。

结语

消费者希望小型设备能够提供更多功能，且实现更长的工作时间。电池技术与低功耗半导体组件的不断发展可以帮助工程师逐步满足上述要求。精确监测电池容量有助于充分利用电池全部电力，与高效的功率转换相结合，有助于充分发挥电池的作用。我们采用高度集成的电源管理器件，并尽可能减少外部组件数和缩小封装尺寸，这有助于高效利用有限的板级空间，以便集成更多功能，并减小产品尺寸与重量。