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通過提高電能轉(zhuǎn)化效率和提高電能使用效率來實(shí)現(xiàn)手機(jī)電源的管理

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資料介紹

一、提高電能的轉(zhuǎn)化效率

隨著對(duì)電源管理要求的不斷提高，手持設(shè)備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開

關(guān)式電源。但并非開關(guān)電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，適用于不同的場(chǎng)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(diǎn)。在輸出電流較小時(shí)，LDO 的

成本只有開關(guān)電源的幾分之一。LDO 的封裝從 SOT23 到 SC70、QFN，直至 WCSP 晶圓

級(jí)芯片封裝，非常適合在手持設(shè)備中使用。對(duì)于固定電壓輸出的使用場(chǎng)合，外圍只需 2 到 3

個(gè)很小的電容即可構(gòu)成整個(gè)方案。

超低的輸出電壓噪聲是 LDO 最大的優(yōu)勢(shì)。但 LDO 的缺點(diǎn)是低效率，且只能用于降壓的場(chǎng)

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(shí)，效率為 90.9%，而在輸出電壓為 1.5V 時(shí)，效率

則下降為 41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時(shí)，不僅會(huì)浪費(fèi)很多電能，而且會(huì)造成芯

片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

開關(guān)式電源

電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲(chǔ)能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。在產(chǎn)品工作時(shí)主要的電能損耗包括：內(nèi)置或外置

MOSFET 的導(dǎo)通損耗，主要與占空比和 MOSFET 的導(dǎo)通電阻有關(guān)；動(dòng)態(tài)損耗，包括高側(cè)和

低側(cè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng) MOSFET 開關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電

壓和開關(guān)頻率有關(guān)；靜態(tài)損耗，主要與 IC 內(nèi)部的漏電流有關(guān)。

在電流負(fù)載較大時(shí)，這些損耗都相對(duì)較小，所以電感式開關(guān)電源可以達(dá)到 95%的效率。但

是在負(fù)載較小時(shí)，這些損耗就會(huì)相對(duì)變得大起來，影響效率。這時(shí)一般通過兩種方式降低導(dǎo)

通損耗和動(dòng)態(tài)損耗，一是 PWM 模式：開關(guān)頻率不變，調(diào)節(jié)占空比。二是 PFM 模式：占空

比相對(duì)固定，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

電感式開關(guān)電源的缺點(diǎn)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(shí)必須格外小心以避免電磁干擾（EMI）。

為了減小對(duì)大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開關(guān)頻率是非常有效的辦法。

電容式開關(guān)電源

電荷泵是利用電容作為儲(chǔ)能元件，其內(nèi)部的開關(guān)管陣列控制著電容的充放電。為了減少由于

開關(guān)造成的 EMI 和電壓紋波，很多 IC 中采用雙電荷泵的結(jié)構(gòu)。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(jī)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時(shí)，比如 2 倍或 1.5

倍，最高的效率可達(dá) 90%以上。但是效率會(huì)隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化，有時(shí)效率也

可低至 70%以下。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)盡量利用電荷泵的最佳轉(zhuǎn)換工作條件。

由于儲(chǔ)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(guān)電源之間，具有較高的效率和相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)，

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(jī)中，減少能量的浪費(fèi)、將盡量多的可用電能用于實(shí)際需要的地方，是省電的關(guān)鍵

手持設(shè)備電源系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)

信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)主要是信號(hào)處理器是手機(jī)的核心部分，它如同人的心臟，會(huì)一直工作，因此它

也是一個(gè)主要的手機(jī)電能消耗源。那么應(yīng)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(xiàng)任務(wù)時(shí)不需要的功能單元關(guān)掉，比如在進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算時(shí)，將

與外部通信的接口關(guān)斷或使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了達(dá)到這一目的，手機(jī)中的信號(hào)處理器往往

涉及很多個(gè)內(nèi)部時(shí)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(guān)斷的。

方法 2：改變信號(hào)處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數(shù)的信號(hào)處理器是用 CMOS

工藝制造的。在 CMOS 電路中，最大的一項(xiàng)功率損耗是驅(qū)動(dòng) 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(duì)不同的運(yùn)

算和任務(wù)，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。

DVS（動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整）技術(shù)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(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，同時(shí)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(shí)還可以通過 I2C 總線對(duì)各路輸出電壓進(jìn)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(jī)中又一能量消耗大戶，輸出功率可達(dá) 750mW，對(duì)于帶有免提功能的

手機(jī)可達(dá) 2W。如何提高放大器的效率呢？傳統(tǒng)的技術(shù)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(shè)計(jì)者更方便地進(jìn)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(yùn)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(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。

電源管理對(duì)手持設(shè)備日趨重要。一個(gè)高效的系統(tǒng)是要將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計(jì)的每一個(gè)

環(huán)節(jié)，并且平衡系統(tǒng)多方面因素設(shè)計(jì)完成的。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有

越來越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。

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