新一代便携产品中更先进的电源管理技术

在便携式电子产品中，需要有高效的电源管理。这在数字蜂窝电话（简称手机）中表现得尤为突出。在过去几年中，手机的使用已经风靡全世界，正在成为人们普遍使用的语音通信工具。在2003年，手机的销售量已超过五亿部。不仅如此，为了吸引更多的消费者，手机厂商和服务运营商不断推出彩显、数字照相机、MP3播放机、PDA等各种新的手机功能和诸如下载多和弦铃声、多媒体短信、数据等各项服务。随着手机朝着多功能化和“智能化”的方向发展，对电源管理也提出了更大的挑战，成为推动电源管理产品发展的主要因素。

　　随着这些新的功能纳入到手机之中，使用者希望通话时间超过三小时，待机时间达到两百小时以上，因而高效率的电源管理显得更加重要。这就是说，在对电池的有限容量进行高效管理方面，所有主要的电源子系统──音频、基带处理器、显示器以及电池充电器──都有进一步改进的机会。

　　音频子系统

　　在最近几年中，音频子系统有了很大的变化。现在全世界通过下载铃声所带来的收入超过了十亿美元。另外，娱乐的功能，例如播放FM和MP3音乐以及多媒体的功能要求提高声音的质量和具有立体声。免提听筒电话和手持式对讲机这些新的使用方式促使人们采用功率更大的音频放大器，并且使用DC－DC升压转换器来产生较高的电压，以便让放大器能够产生很大的音频输出。在音频方面的这些改进直接影响着电池的寿命，因为传统的AB类音频功率放大器能够达到的最大效率是在50 %至63 %的范围。

　　所以，每输出一毫瓦的音频功率，在放大器上损耗掉、变成热量的功率也是一毫瓦。如果用开关电源取代线性稳压器的话，就可以提高效率。人们正在利用开关技术来设计小功率（低于2瓦）D类音频放大器，专门满足蜂窝电话中提高效率的需要。在下面的图中，在数字手机中常用的功率范围内，比较了AB类音频放大器和D类音频放大器的效率。采用D类功率放大器时，除了效率提高了超过30 %，还大大地减少了AB类放大器所带来的发热点，从而提高了产品的可靠性。由于头带耳机需要的功率小（50 – 100 mW），预计比较简单的AB类功率放大器会广泛用于播放立体声。

　　基带处理器

　　数字手机的心脏是基带处理器。在发射和接收语音和数据时，所需要的控制功能和数字信号处理功能都是由基带处理器来完成的。随着亚微米CMOS工艺的发展，可以进行更高水平的系统集成，同时降低功耗。基带处理器以往是用低压降稳压器（LDO）供电，而LDO是接到电池上的。由于锂离子电池的额定电压是3.6 V，在芯核的电压是2.5 V至2.8 V时，在效率、成本和PCB的空间三者之间，这是一个合理的折衷方案，效率在70 %至78 %。现在处理器是用0.13微米至0.18微米的CMOS工艺制造，芯核的电压已经下降到1.0 V至1.8 V。在芯核的电压低于2 V的情况下，下图对高效率同步整流降压转换器和LDO两者的效率作了一个比较。可以看出，开关稳压器有着明显的效率优势。

　　人们不仅关心打电话时对电力的管理，在待机时也必须考虑电力的管理。在使用一节800 毫安时的电池时，为了让待机时间延长到400个小时，就要求平均电流不超过2 mA。为了电流的平均值能够达到这个数值，我们让电话进入静态电流很低的睡眠状态，它每隔一段时间醒过来，看看是否有人打电话来。在GSM标准中，这称作间断接收（DRX），占空比取决于网络，可以改变。为了节省电力，在这个办法中，基带处理器进入睡眠状态，而大部份的功能处于待机状态。对于德州仪器的OMAP5910处理器，为了在睡眠状态下进一步节省电力，芯核的电压也可以从1.5 V降低到1.1 V。图3说明，在软件的控制下，NCP1510同步降压稳压器可以在两个不同大小的电压之间改变，以满足对电压进行动态管理的要求。电压低于1.8 V的应用处理器在手机中的应用将会持续增加，以提供数字图像、播放视频、以及PDA等新的功能。使用静态电流小、效率高的降压转换器在用一节锂离子电池时效率可达到90 %以上。

　　显示器

　　小彩色显示器已经成为手机的主流显示器了。对于在手机中纳入数字照相的功能，彩色显示器的广泛采用起了关键性的作用。折叠式电话的主显示器和副显示器两者都采用彩色的。现在彩色显示器有使用STN 以及TFT LCD技术的，同时出现了有机发光二极管（OLED）技术。使用LCD需要白色背光，因为显示器本身不发光。对于小型显示器，通常是选用发白光的LED。

　　使用白光LED所遇到的问题是由于它独特的特性而产生的。白光LED的正向电压（Vf）与流过这种器件的电流及材料的特性有关，但是一般而言，正向电压在3.2 V至3.8 V的范围，而锂离子电池在放电时的输出电压是在3.0 V至4.2 V的范围。这样，如果想用彩色显示器，并且使用直接连接到电池上的一只电流源来带动LED，这个办法就行不通。另外一个问题是一个小的显示器（< 2英寸）也许需要三、四只白光LED，而在智能手机中用比较大的显示器，往往需要用六至八只白光LED。背光需均匀，这样显示器就不会出现有的地方亮一些，有些地方暗淡一些的现象。所以，所有发光二极管中流过的电流大小必须严格地匹配。

　　解决背光问题的一个办法是把白光LED并联起来，用一个电容式泵电路带动它。可以用一只 1.5倍或者2倍的泵电路，或者两者（1.5 倍和2倍）兼用的混合式泵电路，每个LED用一个匹配的电流源供电。这个方法对设计人员的吸引力很大，因为需要的外接电容器比较小。可惜，用这个方法会降低整个系统的效率，只有47 %至80 %不等。另一个方法是使用电感性的开关解决方案，所有的LED接成串联电路。这样可以保证电流是匹配的，在工作电压范围相同时，效率可以很容易达到80 %至90 %。但是这个办法需要使用电感器，占用的面积增大了。在效率方面的差别所产生的影响与产品中显示器的使用方式有关。例如，标准的数字电话只是在拨号和接听电话时才使用显示器，而智能电话显示器的使用率就高得多。当然，那些比较新的、功能丰富的手机纳入了照相功能和游戏功能，显示器的使用率会更高，高效率的背光也变得很重要。

　　采用彩色显示器和照相手机的兴起是同时出现的。目前这一代的照相手机是用CCD或者CMOS图像传感器，用一个图像处理器把图像压缩成为JPEG格式。分辨率为VGA（0.3兆像素）的照相手机主要是用CMOS图像传感器，而1兆像素及高于1 兆像素的照相手机主要用CCD图像传感器，虽然需要产生很高的正电压和负电压对CCD进行偏置。CCD图像传感器的主要优点是在光线弱时的灵敏度很高，可以在光线很弱的室内拍照。为了在光线不足的情况可以使用CMOS图像传感器，人们正在做很多工作来提高CMOS图像传感器的灵敏度，并且在手机上增加了闪光灯。有两个办法产生闪光，一个办法是使用传统Xenon灯泡，另一个办法是用LED。Xenon产生的光线很强，但是电路复杂，占地方。在手机上使用Xenon也许并不实际，这与手机的尺寸有关。我们可以优化LED的设计，从而达到对闪光灯的要求，而电流脉冲的幅度在0.3 A至1 A的范围（取决于脉冲的宽度），在这方面，LED制造商已经取得了显著的进步。在下面的图中是一个用500 mA的脉冲驱动一只大电流LED的升压转换器。这个升压转换器可以输出两个不同电平的电流，为聚焦提供连续的电流，并且为闪光灯提供脉冲电流。我们已经从照相手机看到，如果人们接受它，新的功能只需要几年的时间就会得到广泛的采用。

　　电池充电器

　　大多数便携产品是用可充电锂离子电池或者锂聚合物电池供给电力。电池的容量的典型数值是700至1400 毫安时，在平均电压为3.6 V时，这个容量相当于2.5 瓦小时至5瓦小时的能量。在对电池充电时，先施加恒定的电流进行充电，一直到电池的电压上升到最大电压（4.1 - 4.2 V）。当达到这个电压时，充电器便转入恒压充电状态直到完成充电。在充电速度最高的情况下，一般需要三个小时。有些供应商在设计产品时，降低充电电流以防止产生过多的热量，但是充电时间就变长了。在充电时使用的电源一般是电压固定但电流受到限制的AC－DC墙式电源适配器。

　　近来出现的发展趋势是通过USB端口进行充电。这样用户可以通过电脑或者笔记本电脑对电池进行充电。通过USB端口充电存在一些特有的困难。首先，可以使用的充电电流受到限制，这取决于插座是大功率（500 mA）的还是低功率（最大为100 mA）的，如果是低功率的，充电时间就会加长。另外，充电器只有在USB完成对插座类别的识别，发现其的确是500mA类型后，才可以把充电电流增大到500 mA。第二个问题是可以使用的充电电压。大多数墙上电源适配器的额定输出电压是 5 V至6 V，而 USB的标称电压是 5 V，如果考虑到电缆上的损失以及容差，对于低功率的插座，加在充电器上的电压就只有4.35 V。考虑到电池的最高电压可以达到 4.2 V，在最坏的情况下，留给充电器的电压余量就没有多少了。所以，通过USB端口进行充电为充电器提供了一个方法，但是这个方法的确存在局限性，而且充电器的电路必须设计成在恒流充电阶段可以使用大小不同的几种充电电流，在充电电流经过的路径上，电压降必须很小，尽量利用可以使用的功率。

　　除了主流的可充电锂基电池外，还出现了直接使用甲醇的燃料电池，这种电池有希望提高能量密度，并且还可以一边使用一边充电。产业界在探索这项技术方面做了很多工作，预计最先采用燃料电池的会是笔记本电脑，因为产业界正在努力，要做到笔记本电脑不必充电就可以使用一整天。

　　下一代功能

　　在过去几年中我们目睹了手机的迅速变化，变化的步伐看来并没有慢下来。刚刚开始进入市场的新功能对供电系统提出了更多的要求。服务营运商继续在建设下一代网络，例如EDGE、CDMA2000 1X 和UMTS/WCDMA，这些下一代的网络可以加强数据服务和多媒体服务。日本的DoCoMo是最旱采用这些新技术的网络，利用手机从网上下载电影、在网上看电影、浏览网页已经是家常便饭，随着使用显示器和音频的时间急遽地上升，它改变了电力的使用方式。影响手机设计的另一个变化是“智能手机”，这种智能电话把真正的PDA 功能加到手机中。

　　手机的使用模式从语音通信转到了多媒体服务，这需对所有的电源管理功能进行仔细的研究。视频、数字图像、数字处理等功能增大了电源的负载，进一步增加了电力有限的电池的负担。改用CMOS处理器，可以进一步把基带与工艺尺寸更小的应用处理器整合在一起，从而简化芯片上的电源管理。使用更小的工艺尺寸，可以降低芯核的电压至1 V以下，进一步节省电力。如果说从过去可以预知将来的话，那末在数字领域，增加的功率可用于进一步改进多媒体和数据的功能和服务。