電池供電型便攜式無線設(shè)備的電源架構(gòu)向“綠色”邁進

一個由供電的無線設(shè)備存在著很多系統(tǒng)設(shè)計師必須克服的關(guān)鍵問題。最重要的問題之一是如何讓熱量從設(shè)備中散出，因為這類設(shè)備通常沒有用于冷卻目的的風扇。結(jié)果，可能用于這類設(shè)備中的轉(zhuǎn)換和管理IC必須是高熱效率的，因為電源轉(zhuǎn)換效率不佳的主要副產(chǎn)品就是熱量。

這種熱量是在能量輸送過程中由穩(wěn)壓器內(nèi)損失的功率所產(chǎn)生。此外，在很多便攜式設(shè)備內(nèi)部，用于冷卻目的的空氣流動有限，而且散熱器由于自身尺寸和設(shè)備內(nèi)可用空間而受到限制，因此器件密集排列的印刷電路板必須處理這種熱量。不過，這種熱量轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品內(nèi)部工作(環(huán)境)溫度的上升，這可能對長期可靠性產(chǎn)生有害影響。

一個DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可以用輸出功率除以輸入功率來計算，或者換一種說法，是負載功率除以輸入功率。系統(tǒng)設(shè)計師必須根據(jù)電源轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的熱量仔細考慮應(yīng)該使用的穩(wěn)壓器類型。因此，很多電池供電型便攜式無線設(shè)備制造商的常見做法是，采用開關(guān)穩(wěn)壓器而不是更簡單的線性低壓差穩(wěn)壓器，因為開關(guān)穩(wěn)壓器的工作效率更高。

電源架構(gòu)趨勢

圖1是一個典型的電池供電型便攜式無線設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換和管理架構(gòu)。不是所有產(chǎn)品都含有一個集成的電池充電器，因為有些制造商更喜歡將電池充電器放在一個附屬充電座中。這些充電座允許同時進行該設(shè)備與主計算機的通信，并提供必需給電池再充電的充電電流。另外，有些制造商不想增加成本和設(shè)計時間以將電池充電器設(shè)計和制造在產(chǎn)品中，而是簡單地選擇用單節(jié)或多節(jié)標準圓柱形AA或AAA型電池為產(chǎn)品供電，而不管電池的化學組成類型。

圖1 一個典型的電池供電型便攜式無線設(shè)備的電源架構(gòu)

在幾乎任何類型的便攜式無線設(shè)備中都需要幾個不同的電壓軌，這種情況很常見，除了某些類型的電池，這些設(shè)備可能還有多個輸入電源。這些電壓軌一般包括一個3.0V或3.3V的主系統(tǒng)總線、一個1.2V的微處理器或DSP內(nèi)核電壓、用于I/O的1.8V、用于射頻電源的2.8V、用于USBOTG支持或為音頻電路供電的5V、以及一個為LED陣列供電以實現(xiàn)顯示器背光照明的LED驅(qū)動器。不過，一個常見的問題仍然存在，那就是如何最佳地管理來自各種不同輸入電源的可用功率，以優(yōu)化最終產(chǎn)品的功能，同時給電池充電(如果電池存在)。解決這個復(fù)雜問題所需要的是簡單和有效的電源通路控制電路。

電源通路控制是一個自動的負載優(yōu)先處理電路，在優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電的同時，能自主和無縫地管理如USB端口、交流適配器和電池等多個輸入電源之間的電源通路。在傳統(tǒng)的電池饋送型充電系統(tǒng)中，用戶必須等到有足夠的電池充電量和電壓值，才能獲得系統(tǒng)功率。相反地，電源通路控制允許最終產(chǎn)品在一插電就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)如何，這常常稱為“即時接通”工作。

電源通路控制電路可以用線性和開關(guān)拓撲實現(xiàn)。線性電源通路拓撲的好處是易于實施和具成本效益。不過，開關(guān)模式電源通路拓撲可提高向系統(tǒng)負載和電池供電的效率。開關(guān)模式電源通路拓撲是通過消除在線性電池充電器單元損失的功率做到這一點的，當電池電壓低和/或輸入功率有限時(例如，靠一個受限的USB端口供電)尤其重要，從而使這種拓撲具有卓越的熱特性。第二個突出優(yōu)點是，當電池電壓低時，它能夠從一個標準USB端口(約2.3W)抽取高達700mA的電池充電電流。這之所以成為可能，是因為開關(guān)拓撲有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，而線性拓撲的標稱轉(zhuǎn)換效率僅為60%。幸運的是，有很多模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商同時提供獨立和高度集成的電源通路控制IC。

由AA或AAA電池供電的設(shè)備需要特別考慮

除了鋰離子電池，出于便利性、可用性和成本原因，多種便攜式無線設(shè)備仍然由兩節(jié)可再充電或不可再充電的AA或AAA型電池(采用鎳、堿性或新的圓柱形鋰化學材料)供電。不過，正如已經(jīng)提到的那樣，管理進入手持式設(shè)備的電源通路是一個日益復(fù)雜的任務(wù)，因為產(chǎn)品中存在多種電源電壓，空間非常有限但需要最佳效率。常見的情況是，這些因素促進了為很多電池供電型設(shè)備而開發(fā)的高度集成電源管理IC(PMIC)。

不過，當使用一個由兩節(jié)AA或AAA電池和一個5V AC適配器或一個5VUSB端口供電的便攜式無線設(shè)備時，最大的障礙之一是為主電源軌提供一個固定3V或3.3V輸出，以及提供一個為微處理器或DSP內(nèi)核電壓供電的1.2V輸出。當該設(shè)備由5V交流適配器或5VUSB端口供電時，僅需要降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。不過，當該設(shè)備由電池供電時，常常需要一個降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器來為主電源軌提供3V或3.3V電壓，同時需要一個降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器來為大規(guī)模數(shù)字處理器內(nèi)核提供 1.2V電壓。這是因為，兩節(jié)AA(鎳或堿性)電池的放電曲線是從3.2V直至 1.8V，不過，用“新”的圓柱形鋰AA和AAA電池，這個范圍已經(jīng)向上移動了約0.4V，因此需要一個降壓-升壓型穩(wěn)壓器以更高效率在整個電池放電范圍內(nèi)調(diào)節(jié)3.0V或3.3V。此外，常常需要第二個降壓通道來為標稱值為1.8V的存儲器供電。

由電池供電的無線便攜式設(shè)備也需要綠色電源

過去一年中“綠色環(huán)保”概念大量出現(xiàn)在新聞中，2009年我們將會看到更多這方面的報道。結(jié)果，很多供應(yīng)商或電源管理和轉(zhuǎn)換IC在跨寬負載范圍提高電源轉(zhuǎn)換效率方面取得了很大進步。

此外，人們普遍認為，不管產(chǎn)品是靠插到墻上的電源插座還是靠電池供電工作，都需要節(jié)能。這是因為，隨著一個國家人口的增加，對能量的需求也在增加，人們需要能量為家居的加熱/冷卻系統(tǒng)、照明和家用電器供電。不僅建造新的發(fā)電設(shè)施耗費大量資金，而且電能產(chǎn)生后傳送到用戶處也需要大量的金錢。據(jù)觀察，將大多數(shù)家用電器目前的能耗降低15%～20%，比建設(shè)新的發(fā)電設(shè)施更具成本效益。

就由電池供電的便攜式無線產(chǎn)品而言，類似的概念也適用，不過，在使用多節(jié)AA或AAA型電池的情況下，對這些含有害化學材料的電池處置給我們的環(huán)境造成了負面影響。顯然，為延長這些電池在最終產(chǎn)品中的使用壽命所能做的任何事情都將最大限度減小更換電池的頻度，因此可以減少需要回收的有害污染物。

與建造新的發(fā)電設(shè)施或有害化學材料回收設(shè)施有關(guān)的高成本導(dǎo)致的結(jié)果是，很多國家已經(jīng)采取了“綠色政策”，這些國家以此鼓勵制造商在最終產(chǎn)品中采用節(jié)能技術(shù)。因此，就一個用在任何類型節(jié)能設(shè)備中的電源管理和轉(zhuǎn)換IC而言，任何內(nèi)部使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器都必須有兩個主要的特性。首先，它們必須在寬負載電流范圍內(nèi)擁有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，它們在備用和停機模式時必須有非常低的靜態(tài)電流。結(jié)果，很多由電池供電的便攜式產(chǎn)品正在納入具有這兩個關(guān)鍵特性的電源管理和轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

新的綠色電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品

LTC3101是一個多功能、緊湊型電源管理解決方案系列中最新的PMIC，該系列解決方案用于電池供電和電池備份應(yīng)用。它集成了一個低損耗電源通路(PowerPath)控制器、3個高效率同步開關(guān)穩(wěn)壓器(1個降壓-升壓和兩個降壓)、1個電流限制為200mA的VMAX輸出(跟蹤電壓較高的輸入電源)、1個受保護的100mA熱插拔(HotSwap)輸出、按鈕開/關(guān)控制、一個可編程處理器復(fù)位發(fā)生器和一個始終保持接通的LDO，所有這些都在一個緊湊型、扁平4mm×4mmQFN-24封裝中。

LTC3101具有1.8～5.5V的寬輸入工作電壓范圍，與2或3節(jié)采用鎳、鋰或堿性化學材料的AA或AAA型電池、標準單節(jié)鋰離子/聚合物棱柱形電池以及USB或5V交流適配器輸入電源兼容(見圖3)。此外，該器件的低損耗電源通路控制無縫和自動地管理上述多個輸入電源之間的電源通路。“保持運作”的VMAX和LDO輸出為關(guān)鍵功能或附加的外部穩(wěn)壓器供電。內(nèi)部排序和獨立的使能引腳提供了靈活的加電選項。

圖2 LTC3101的效率曲線

圖3 LTC3101原理圖

LTC3101的降壓-升壓型穩(wěn)壓器在輸入電壓高于3V時可以連續(xù)提供高達800mA的電流，非常適用于在1.8～ 5.5V的整個輸入電壓范圍內(nèi)高效率地調(diào)節(jié)3.0V或3.3V輸出。LTC3101的兩個降壓型穩(wěn)壓器以100%占空比工作，每個都能提供350mA的輸出電流，具有低至0.6V的可調(diào)輸出電壓。LTC3101的內(nèi)部低RDS(ON) 開關(guān)實現(xiàn)了高達95%的降壓-升壓效率和高達93%的降壓型穩(wěn)壓器效率，從而最大限度地延長電池運行時間(見圖 2)。

諸如手持式儀表和醫(yī)療診斷設(shè)備等便攜式無線儀表，由于需要執(zhí)行大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)而由3或4節(jié)AA電池供電的情形并非罕見。同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3534就是為此而設(shè)計的，該器件具有2.4～7V的擴展輸入電壓范圍，可向固定穩(wěn)壓輸出提供高達500mA的輸出電流。它的輸入可以高于、等于或低于輸出。LTC3534采用的拓撲在所有工作模式時都提供連續(xù)輸送模式，從而使其非常適用于3或4節(jié)堿性電池應(yīng)用。

例如，考慮一個輸入電壓范圍為 3.6～6.4V以提供一個固定5V輸出的4節(jié)堿性(AA或AAA)電池應(yīng)用(見圖4)。在很多情況下，當與更加傳統(tǒng)的SEPIC方法比較時，運用LTC3534可以使電池運行時間延長25%。LTC3534的1MHz恒定開關(guān)頻率在最大限度地減小外部組件尺寸的同時提供低輸出噪聲。纖巧外部組件結(jié)合3mm×5mm DFN(或SSOP-16)封裝提供了一個纖巧的解決方案占板面積，非常適用于很多手持式設(shè)備。

圖4 LTC3534 原理圖

LTC3534含有兩個N溝道以及兩個P溝道MOSFET(分別為215mΩ/275Ωm和260mΩ)，提供高達94%的效率。突發(fā)模式工作僅需要25μA的靜態(tài)電流，而停機電流低于1μA，以進一步延長電池運行時間。如果應(yīng)用是噪聲敏感的，那么還可以配置PWM引腳以提供強制連續(xù)工作，從而降低噪聲和潛在的射頻干擾。其他特點包括軟啟動、電流限制、熱停機和輸出斷接。