便攜電子設(shè)備的高效電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

對(duì)于電池供電的便攜設(shè)備而言，除了需要突破處理能力的限制外，便攜式系統(tǒng)電源的性能也需要不斷改進(jìn)。本文探討便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)以及設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。這些原則對(duì)任何具有強(qiáng)大功能且必須以電池供電的便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)都是有幫助的。根據(jù)本文描述的構(gòu)造模塊，讀者可以為特定設(shè)計(jì)選擇合適的器件以及設(shè)計(jì)策略。

電源管理單元

為電源電路規(guī)定具體的功能和架構(gòu)模塊并非微不足道，這些工作直接影響到電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。電源系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)因嵌入式產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而各異。下圖是典型便攜嵌入式系統(tǒng)中的電源方案。

下面我們分別定義圖中每個(gè)組成部分的要求。假設(shè)該產(chǎn)品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是當(dāng)有多個(gè)電源時(shí)，負(fù)責(zé)切換至合適的電源。在某些設(shè)計(jì)中可能需要考慮包括新興的USB和以太網(wǎng)供電（PoE）等供電方式。

電池保護(hù)電路保護(hù)電池免受過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流及其它異常狀況的損壞；專(zhuān)門(mén)的電池充電電路應(yīng)在一旦有其它供電來(lái)源的情況就對(duì)電池進(jìn)行充電；電量計(jì)電路連續(xù)監(jiān)測(cè)電池電量狀況，并為用戶(hù)和電源管理軟件提供電池狀態(tài)信息。

系統(tǒng)可能需要多個(gè)DS-DC功率變換器。例如開(kāi)關(guān)電源（SMPS）、LDO穩(wěn)壓器、電荷泵等。這些不同的變換器用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

數(shù)字接口或硬件按鈕控制器負(fù)責(zé)開(kāi)啟和關(guān)閉系統(tǒng)——有時(shí)也稱(chēng)軟啟動(dòng)。在一些最近推出的功率變換器中，數(shù)字接口也可被用來(lái)微調(diào)各種變換器產(chǎn)生的輸出電壓。在具有功耗意識(shí)的電源設(shè)計(jì)中，這種微調(diào)是必需的。

高效電源的標(biāo)準(zhǔn)

在嵌入式應(yīng)用中，電源效率并不限于傳統(tǒng)的系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)輸入功率之比這樣一個(gè)定義。在嵌入式系統(tǒng)，高效電源方案應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1. 采用電池供電時(shí)，設(shè)備可長(zhǎng)時(shí)間工作；2. 延長(zhǎng)電池壽命（充放電次數(shù)）；3. 限制元器件和電池本身的溫升；4. 提供集成軟件智能，以使效率最大化。

事實(shí)上，沒(méi)有單一的指導(dǎo)方針可以最大化電源方案的效率。不過(guò)，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮以下幾點(diǎn)：電池壽命（充放電次數(shù)）取決于電池的充電特性；對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，制造商通常建議遵循最優(yōu)充電電流（恒流模式）和終止/預(yù)充電電流值。當(dāng)設(shè)計(jì)充電器電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)范。

電池管理

對(duì)于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，電池保護(hù)必須被視為基本特性，因?yàn)樗c用戶(hù)的人身安全息息相關(guān)。必須采取充分的措施檢測(cè)電池的過(guò)壓、欠壓和溫度；必須選用諸如溫變電阻等合適的器件來(lái)確保無(wú)論在任何異常條件下，都能自動(dòng)限制電流的大小；必須使用電量計(jì)。除了正常電量檢測(cè)功能外，它還能確保電池安全。大部分電量計(jì)安裝于電池上，可用于檢測(cè)電池溫度、放電電流等。

對(duì)于電源路徑控制器，一個(gè)經(jīng)常被忽略的問(wèn)題是：當(dāng)從一個(gè)電源切換到另一個(gè)時(shí)，無(wú)論時(shí)間多短，都不能在兩者間形成回路。這可能需要額外的反向連接二極管或開(kāi)關(guān)。同樣，當(dāng)采用其中一個(gè)電源供電時(shí)，該電源的電壓不應(yīng)通到另一個(gè)電源的輸入端。

由于存在很多可用的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以正確選擇電源變換器并非易事。一般來(lái)說(shuō)，在需求高效率和大輸出電流的場(chǎng)合，必須避免使用線性穩(wěn)壓器。

在采用開(kāi)關(guān)電源的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保采用適當(dāng)?shù)耐負(fù)洌ń祲骸⑸龎?、降?升壓，電荷泵，SEPIC等），以保證即使在電池電壓下降到最低工作值的情況下，電源也能維持期望的輸出電壓，這有助于延長(zhǎng)設(shè)備的工作時(shí)間。

對(duì)于降壓變換器而言，同步變換器通常具有比非同步變換器更高的效率。不過(guò)，這種架構(gòu)選擇在很大程度上取決于該變換器工作狀態(tài)下所需的輸出電流以及占空比。因此，采用同步變換器所帶來(lái)的少許效率提升并不足以彌補(bǔ)所增加的成本。


圖：典型便攜嵌入式系統(tǒng)的電源管理方案。

用于濾除開(kāi)關(guān)電源輸出紋波的電感種類(lèi)的不同通常會(huì)對(duì)變換器效率有不同影響。在各種電感選擇中，低直流阻抗及在工作頻率下具有低磁損耗的電感是首選。

熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)須夷不離。各個(gè)IC或無(wú)源器件的封裝必須要能處理其正常工作狀態(tài)下的發(fā)熱問(wèn)題。許多芯片制造商建議采用帶過(guò)孔的熱焊盤(pán)，并在PCB上采用大焊盤(pán)來(lái)更好地散熱。緊湊型嵌入式產(chǎn)品通常沒(méi)有添加風(fēng)扇的空間，但必須考慮到PCB上的通風(fēng)通道以及足夠的散熱措施。

本文小結(jié)

電源設(shè)計(jì)往往被當(dāng)作純粹的硬件設(shè)計(jì)。但是，為了得到高效的電源方案，設(shè)計(jì)人員需要為電源電路增加軟件智能。軟件控制的一些基本功能包括，檢測(cè)由電源路徑開(kāi)關(guān)選擇的是哪種電源；在電池供電時(shí)，對(duì)不需要的電路減少供電電流。

更精妙的電源管理軟件還會(huì)包括其它參量，例如：系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)用種類(lèi)、最低外設(shè)要求、最慢時(shí)鐘頻率以及運(yùn)行此應(yīng)用所需的最低電壓，并據(jù)此相應(yīng)地控制電源輸出、時(shí)鐘發(fā)生器和接口IC的狀態(tài)。

遵循上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可以顯著提高便攜式設(shè)備的電源性能。例如，一款典型的30W多輸出電源方案的整體效率可高達(dá)85到90%。目前已多家集成電路制造商可提供一系列高集成度IC，具備上述各種功能。根據(jù)不同電源要求，一些應(yīng)用可能需要單芯片方案，而另一些則可能采用分立模塊。畢竟，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)，電池壽命和設(shè)備工作時(shí)間是影響買(mǎi)方選擇的關(guān)鍵因素。