中心議題：

• 解讀手機電源管理技術方案

解決方案：

• 在提高電能的轉(zhuǎn)化效率上處理
• 在提高電能的使用效率上改善

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，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。

為手機提供電能的技術在最近幾年雖有不少創(chuàng)新和發(fā)展，但是還遠遠不能滿足手機功能發(fā)展的需要，因此如何提高電源管理技術并延長電池使用壽命，已經(jīng)成為手機開發(fā)設計中的主要挑戰(zhàn)之一。

同時，設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，手持設備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開關式電源。但并非開關電源可以代替一切，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成整個方案。

超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢。TI的TPS793285輸出電壓的紋波不到35μVrms，又有極高的信噪抑制比，非常適合用作對噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時在線性電源中因沒有開關時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾(EMI)，所以便于設計。

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。

·開關式電源

電感式開關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。通過不同的拓撲結構，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；動態(tài)損耗，包括高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時導通時的開關損耗和驅(qū)動MOSFET開關電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關頻率有關；靜態(tài)損耗，主要與IC內(nèi)部的漏電流有關。

在電流負載較大時，這些損耗都相對較小，所以電感式開關電源可以達到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)開關頻率。

電感式開關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，提高開關頻率是非常有效的辦法。TI的TPS62040的開關頻率達1.2MHz，當輸出電流為1.2A時，外部電感只需6.2μH。今后TI還會推出開關頻率更高的產(chǎn)品。
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·電容式開關電源

電荷泵是利用電容作為儲能元件，其內(nèi)部的開關管陣列控制著電容的充放電。為了減少由于開關造成的EMI和電壓紋波，很多IC中采用雙電荷泵的結構。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)部機構的關系，當輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關系時，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系而變化，有時效率也可低至70%以下。所以設計者應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和電感式開關電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設計，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，是省電的關鍵。

·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。將處理某項任務時不需要的功能單元關掉，比如在進行內(nèi)部計算時，將與外部通信的接口關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。可以看出功率損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，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。

TI的DVS(動態(tài)電壓調(diào)整)技術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計的每一個環(huán)節(jié)，并且平衡系統(tǒng)多方面因素設計完成的。隨著半導體技術和電路設計技術的發(fā)展，會有越來越多的節(jié)能技術涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。

總結

本文是手機電源管理技術的探索，在提高電能的轉(zhuǎn)化效率上，研發(fā)出線性電源、開關式電源、·電容式開關電源；而在提高電能的使用效率上，在信號處理系統(tǒng)、音頻功率放大部分方面下功夫，通過本文我們可以全面認識到手機電源管理技術的知識。相信對廣大電子工程師們有很多的幫助。