PDA電源系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)及解決方案

如今，由電池供電的PDA將遇到來自電源管理方面的嚴峻挑戰(zhàn)，因為各種能量饑渴型功能正不斷被添加到PDA上，而其電池工作時間仍需要保持在一個合理的水平上，并且電池體積和重量還要保持不斷變輕變小的趨勢。這就要求高效的能量轉(zhuǎn)換、電池充/放電周期的精確控制、以及盡可能多地采用省電運行模式。但即使采取了這些措施，PDA制造商仍在研制更高容量的電池，以滿足負載不斷增長的要求。能量密度是電池選用考量的首要因素。鋰離子電池的能量密度由于比其最接近的競爭對手還高1倍，因此它實際上已經(jīng)成為所有PDA當(dāng)仁不讓的選擇。

三個關(guān)鍵領(lǐng)域的電源管理技術(shù)探討

電源管理(PM)模塊負責(zé)整個PDA系統(tǒng)的電源供給和管理。圖1勾勒出了PM模塊的框架，PM模塊由電池管理、電壓管理和負載管理三個子模塊組成。

電池管理子模塊

電池管理子模塊負責(zé)電池的充電、保護和檢測，它的主要作用是優(yōu)化電池利用和延長系統(tǒng)運行時間。其電路結(jié)構(gòu)視所選的電池化學(xué)成分、容量和充/放電周期數(shù)而定。一旦確定了這些因素，電源架構(gòu)設(shè)計師就可以選擇充電器拓樸結(jié)構(gòu)(線性、PWM或脈沖模式)和電池保護方案。當(dāng)輸入從AC電源適配器切換到電流有限制的USB總線電壓時，一個最近的考慮包括將嵌入式IC充電器重新配置到一個更低的充電速率(C-Rate)。

電能測量最初只是一項電池管理功能，但隨著用戶越來越關(guān)心電池使用狀況，它也正在變成負載管理的一個組成部分。準確的電能測量需要對隨時間而變的電池充/放電電流進行精準的測量，目前廣泛使用的基于電池放電曲線的電壓測量技術(shù)盡管成本很低，但已被證明不能準確反應(yīng)電池使用狀況。也正因為這樣，像Intersil ISL6295這樣復(fù)雜的“電量計量”IC正在獲得越來越多的應(yīng)用。

電壓管理子模塊

電壓管理子模塊主要執(zhí)行分配和調(diào)節(jié)功能，它負責(zé)對未穩(wěn)壓的電池電壓(鋰離子電池是3-4.2V)進行高效的調(diào)節(jié)以滿足苛刻的負載要求。隨著工作電壓低于2V的處理器的出現(xiàn)，線性穩(wěn)壓器已經(jīng)不再適合用于處理器內(nèi)核電壓的穩(wěn)壓。

代之而起的是像Intersil的EL7536和 ISL6271這樣的全集成開關(guān)穩(wěn)壓器，它們在很寬的動態(tài)負載范圍內(nèi)都能有很高的轉(zhuǎn)換效率，從而可以用來對系統(tǒng)和內(nèi)核處理器電壓進行穩(wěn)壓。線性穩(wěn)壓器現(xiàn)已主要用于LDO(低壓降)轉(zhuǎn)換，并僅用來為存儲器、音頻和時鐘系統(tǒng)中的噪聲敏感電路提供電源。

負載管理子模塊

系統(tǒng)負載最少消耗掉電池容量的90%(剩余的10%消耗于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié))，這一部分是延長電池工作壽命和幫助實現(xiàn)先進PDA性能的關(guān)鍵。CPU必須根據(jù)時鐘電路、Hi-Fi音頻功放、RF天線驅(qū)動器、存儲器、擴展卡槽、處理器內(nèi)核和顯示背光的活躍度和系統(tǒng)運行模式，恰到好處地依次對這些電路進行開關(guān)。這種負載管理方式(通常稱為“負載剝離”)不僅延長了電池工作時間，而且還能確保電池不至陷入深度放電狀態(tài)。

電能計量

了解電池能量消耗情況的方法之一是對其進行計量，而這正是電能計量IC(如Intersil的ISL6295)的主要功能。通過將一只很小的感應(yīng)電阻與電池串接，ISL6295能夠通過累計某一時間段的電池電流流量(毫安-小時)準確地算出消耗或補充的電能。ISL6295通過I2C串行總線記錄電壓、殘余電量、電流和溫度，它可用來監(jiān)測單一的負載功耗，并幫助實現(xiàn)包括負載剝離和電池保護這樣的先進電源管理功能。

背光電路是耗能大負載

雖然LCD背光提升了顯示的可讀性，但它也消耗了大量的電池能量。常用的3種LCD顯示背光技術(shù)是：EL(電致發(fā)光)、LED(發(fā)光二極管)和CCFL(冷陰極熒光燈)。EL和 CCFL背光需要一個高電壓DC/AC逆變器，而LED背光需要一個容性或感性升壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動一組并行或串行白色LED?？紤]一個典型的4個LED串聯(lián)的背光配置，每個LED有4V的前向壓降和20mA的前向電流，那么升壓轉(zhuǎn)換器的最小輸出功率將為=320mW。如果升壓轉(zhuǎn)換器的效率為85%，則該顯示背光對電池來說，就相當(dāng)于一個380mW的負載！

用PDA進行無線通信實際上也非常費電。例如，一個常見的手掌大小的帶嵌入式WAN無線電模塊的PDA需要0.1W來維持數(shù)據(jù)通信的“常開”待命狀態(tài)，而在數(shù)據(jù)通信時一般需要0.25W。這與最先進的PDA處理器處理活動視頻時所需的能量(不包括背光功耗)正好一致。除了嵌入式WAN無線通信，局域網(wǎng)卡也廣泛用于無線802.11b連接。在典型的PDA使用模式下，你將會發(fā)現(xiàn)，對一個平均峰值功率為1W的無線電模塊來說，接收和發(fā)射模式所占時間分別只占總使用時間的2-3%和1-2%。在其它時間，無線電模塊將一直處在空閑狀態(tài)，不過也要從3.3V系統(tǒng)穩(wěn)壓器中消耗不大不小的20mA電流。

調(diào)控電壓和頻率以增加使用時間

需要大量運算的應(yīng)用(如多任務(wù)操作系統(tǒng)、流視頻、MP3回放和無線通信等)使本已左支右絀的電池使用時間更加不夠用了。幸運的是，來自英特爾、AMD和其它供應(yīng)商的基于低功耗RISC架構(gòu)的處理器正陸續(xù)應(yīng)運而生，它們可以根據(jù)系統(tǒng)需求平衡計算吞吐量和優(yōu)化功耗。由于處理器功耗與工作頻率成線性關(guān)系并與處理器內(nèi)核電壓的平方成正比，因此通過動態(tài)控制這些工作參數(shù)我們能夠顯著降低功耗。

英特爾的XScale技術(shù)是StrongARM的后繼技術(shù)，它是主要為移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而開發(fā)的。這一省電架構(gòu)代表了英特爾無線應(yīng)用處理器的關(guān)鍵，它基于被英特爾稱為個人客戶端架構(gòu)(PCA)的開放架構(gòu)。PXA250和PXA210采用的0.18微米工藝使其能工作于400MHz，同時它采用的低介質(zhì)材料又降低了功耗。英特爾的XScale技術(shù)是一種高度可升級微架構(gòu)，它具有電壓和頻率調(diào)整能力以獲得最優(yōu)性能和功耗(0.18微米工藝能實現(xiàn)的最高工作頻率可達到1GHz)。

PXA250有幾百萬只以400MHz開關(guān)頻率工作的晶體管，為了將開關(guān)損耗減至最小，英特爾采用了“自動時鐘門控”技術(shù)來關(guān)閉非工作狀態(tài)的電路。PXA250的最大運行功耗為360mW，低功耗模式有待機和休眠兩種，分別消耗100mW和50uW功率。一個聰明的程序設(shè)計師能根據(jù)運行狀態(tài)靈活地在不同模式間切換以降低功耗。

結(jié)論

隨著寬帶無線通信的到來和處理能力可“調(diào)控”處理器的出現(xiàn)，PDA市場將迎來新一輪的增長。未來的PDA可為用戶提供“永遠在線”的無線數(shù)據(jù)體驗和豐富的多媒體特性，而這將使PDA在企業(yè)市場更具活力。不過，便攜式電子產(chǎn)品的核心是電池壽命，對這一有限資源的有效管理關(guān)乎任一品種PDA的生死成敗。在制造商將盡可能多的功能都整合進PDA之后，任何一種便攜式設(shè)備的成功仍將很大程度上取決于以下幾個因素：易用性、重量、成本、大小和電池工作時間，其中4項直接與電池和電池管理息息相關(guān)。