电源管理助便携式设备突破功能与功耗博弈困境

据市场调研公司DATABEANS预测，从2004年至2010年每年电源销售额将以15%幅度增长。到2010年整个全球电源管理市场将达到近120亿美元的销售额。这一趋势的主要驱动力来自于功能日益丰富的便携式设备对功耗不断提出的严格要求，尤其是最近，随着手机电视以及其它多媒体功能的越来越火，电池已不堪负重，如何解决这些功能带来的能耗问题已成为便携式设备设计者面临的艰巨挑战，同时也为电源厂商带来了无限商机。

燃料电池近期还无能为力

燃料电池是一种将氢或其他燃料通过电极反应直接转换成电能的装置，因在转换过程中不涉及燃烧，所以其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换率高达60%～80%。由于具备高能源密度、高功率、零污染等特性，成为近年来最被看好的传统能源替代技术。对于便携式设备来说，随着功能要求越来越多，传统二次电池能提供的使用时数明显不足，直接甲醇燃料电池(DMFC)因具备了燃料电池的优势，且其发电所需的燃料具备(甲醇)成本低、容易储藏、可低温运作等优点，已成为近年来最被看好的未来电子设备主流电源。据悉，为了解决便携系统日益扩大的“能量缺口”，摩托罗拉公司去年已对燃料电池开发商加拿大Tekion公司进行战略投资。

前不久，三星公司通过对燃料电池的调查研究和开发，也认为燃料电池技术具有很大的潜力。于是宣布与美国MTI MicroFuel Cells公司结成独家联盟。根据协议，MTI Micro将为三星的手机业务开发下一代燃料电池原型。MTI Micro的直接甲醇燃料电池(DMFC)技术名为“Mobion”。该公司将和三星联手为各种手机应用开发、测试和评估Mobion技术。据悉，在日本， NTT DoCoMo和KDDI两家移动运营商都对这项技术表示支持。

燃料电池的前景虽然令人振奋，但是面对目前便携式设备的燃眉之急，似乎有点“望梅”难以“止渴”。市场研究机构Strategy Analytics公司分析师Chris Ambrosio指出，燃料电池也有其自身的不足。目前，对多数手机来说，一方面电池的体积太大，另一方面由于燃料电池中的甲醇是易燃物质，一旦这些化学物质泄漏或过热，都可能会引发安全问题。因此制造商需要对燃料电池的体积和安全性进行改进。诺基亚移动电话总裁兼首席技术官、公司技术顾问Yrjo Neuvo同样对燃料电池不甚乐观，他表示，便携式终端面临的功耗问题，是一个仅靠燃料电池或其他电池替代方案无法解决的问题。

电源管理应对当务之急

进而“开源”不成，只好退而“节流”。传统电池功率密度的迟迟不前，以及燃料电池大规模应用的遥遥无期，使得电源管理在应对便携式设备功耗当务之急中变得尤为重要。
手机电源管理单元与手机功能模块之间的连接如图1所示。在该图中可以看出，不同的功能部件需要提供差异化的电压，同时，为了减少功耗，还要对各部分的工作状态进行智能控制，新一代的电源管理方案必须兼具低功耗、低噪音、小体积、稳定度高等特点。

图1 手机里面各个功能模块都需要不同的电源管理元件配合。

转换器的效率和散热至关重要

从图1可以看出，更多的功能，需要提供更多的能量和电压等级。如何转换成不同等级的电压并提高转换效率成为延长便携式设备电池寿命的关键一环。2G时代的手机大量采用LDO来为手机各个部件进行供电，LDO虽然具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的特点，但LDO只能用于降压的场合，而且其效率取决于输出电压与输入电压之比，在输入电压为3.6V的情况下，输出电压为1.5V时，效率只有41.7%，这样低的效率在输出电流较大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热，进而影响系统稳定性。3G手机各个部件需要多个电压等级的供电，不仅要求在空间极其有限的设计中运行系统应控制在尽可能低的能量预算范围内，并要求其释放的热量达到最低，否则可能会导致散热问题，这就要求必须使用不仅能够显著延长电池使用寿命，而且还能最大限度地缩小板级空间的更复杂、更低功耗的开关模式DC/DC转换器。

“便携式应用设计师在如何进一步提高电池利用率方面所遇到的困难越来越大。TI通过与顶尖的3G无线手持终端、数码相机及其它便携式电子设备制造商密切合作，以确保他们能够最大限度地利用锂离子电池的所有潜在电能，从而满足消费者对延长电池使用寿命的需求。”德州仪器（TI）公司负责便携式电源管理业务的副总裁Dave Heacock表示。

该公司的升-降压DC/DC转换器TPS63000，具有不足30μA的极低静态电流、高效节电以及电压保护等多种特性。可在1.8V至5.5V的宽泛电压范围内实现高达96%的效率，并能够同时输出高达1.2A的输出电流。得益于节省空间的3×3mm2无引线四方扁平封装(QFN)，该升-降压转换器的运行时间相对于3.3V输出电压的标准高效降压转换器延长了28%。同时，借助固定频率的脉冲宽度调制(PWM)专利技术，该器件还能够利用同步整流技术保持高效率，以支持目前的单节锂离子电池。此外，TPS63000还支持低至1.8V的输入电压，从而使设计人员能够在基于TI OMAP处理器的手持终端及其他多媒体应用中实施密度更高的全新锂离子电池化学技术。

TPS63000在低功耗工作状态下会进入节电模式，也可禁用该模式，从而迫使转换器以固定开关频率工作。同时，禁用该转换器还能尽可能地减少电池电量流失。此外，在停机状态下，该器件完全不消耗电池电量，从而可有效延长智能手机、数码相机及其他便携式多媒体设备的电池使用寿命。

创新WLED驱动器简化亮度调节

白光LED已成为便携式产品中为LCD显示器提供背光的主流器件，但是同时它也是整个系统中耗电量最大的部分之一，如何降低白光LED的功耗成为影响电池寿命的重要因素。立锜科技(RichTek)公司为白光LED应用推出的创新串联式白光LED驱动器RT9285，提供了简单的脉冲式调光技术，系统只需提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单的实现输出亮度调节。同时它还整合了肖特基二极管，从而使得系统外围元件数量更少，射频干扰更小。在简化了整机电路和软件设计的同时，还提供了无调光电磁干扰的优异性能。
RT-9285典型应用电路如图2所示。该驱动器提供了串连式LED结构，最高可以提供5颗白光LED串连所需电压，并可串联一电阻来设定最大LED电流，不仅可为所有小尺寸液晶屏幕提供背光，而且可保证LED亮度的一致性。同时，针对不同亮度的背光需求，RT-9285还提供脉冲调光技术，从而简化了电路的设计，并具有无调光电磁干扰的特性。

图2 白光LED驱动器RT9285的典型应用电路

RT-9285的转换效率最高可以到达85%，从而可以降低电流消耗并且延长电池的使用时间。同时其内建的肖特基二极管还降低了系统所需组件及复杂度；内建的软启动功能还可以降低浪涌电流。而过电压保护及过流保护则可以确保系统在正常状态下工作。除了提供白光LED驱动电流之外，RT-9285还可通过调节分压电阻，作为OLED的电源，提供额定电压输出。

高集成电源管理IC集充电、稳压于一体

“小型化推动集成化”正成为便携式设备内部模块发展的趋势，在电源管理方面更是表现得淋漓尽致。前不久凌特(Linear)公司推出的面向手持应用的高效率、紧凑型电源管理解决方案LTC3550，采用扁平16引线3mm×5mm DFN封装，通过把双输入锂离子/聚合物电池充电器和高效率同步降压型稳压器整合在一起，成为电源管理集成化和智能化的典范。

LTC3550的电池充电器能自动地选择合适的电源，通过利用恒流/恒压算法，选用墙上适配器电源时可提供高达950mA 的充电电流，而用USB电源则可提供高达500mA的充电电流，最终浮动电压准确度高达±0.6%。同时，为了保存电池能量，该器件在备用模式从电池终端获取的电流小于6uA，而在停机模式时小于1uA。此外，LTC3550的电池充电器还配备了已获专利的热调节电路，该电路在没有过热风险的前提下最大限度地提高了充电速率。

LTC3550集成的同步降压型稳压器采用恒定频率电流模式架构，输入电压为2.5V至5.5V，具有从5.5V到低至0.6V的可调输出电压范围，可提供高达600mA的持续输出电流。自动的突发模式则优化了轻负载时的效率，静态电流仅为20uA。通过采用RDS(ON)仅为0.40Ω的内部开关，具有高达96%的效率，最大限度地延长了电池工作时间。此外，由于该降压型稳压器具有1.5MHz开关频率，从而允许采用高度低于1mm的纤巧低成本电容器和电感器。

第二代PowerWise接口标准推动电源管理部署

由于便携式电子产品的功能越来越多，因此若要延长产品的电池寿命，生产商必须采用先进的电源管理技术，以确保供电系统可以按照多功能集成系统芯片的每一不同功能分别提供所需供电，以便灵活控制各方面的功耗。为了确保系统设计工程师既可减少脚数，又可迅速完成这样复杂的设计，美国国家半导体通过与ARM 携手合作，并在松下电器、飞利浦半导体、三星电子及 ST Microelectronics 等厂商客户的支持下，成功制定了第二代 PowerWise 接口标准PWI 2.0。

PowerWise接口（PWI）标准是一种双线的串行总线接口标准，可将SoC与电源管理集成电路 (PMIC) 连接一起。采用PWI的系统结构框图如图3所示。该接口特别定义能够提供主从通信，并针对电压调整系统控制进行了优化，从而使系统设计师能够动态调整数字处理器上的供电和反向偏压。

图3 基于PWI的系统结构框图

PWI 2.0 接口标准仍然保留了低功率、高带宽、低延迟等PWI 1.0 接口标准的原有优点，并加大了 PMIC 寄存器的容量，增加了指令集，而且还就多点总线作出多项规定，例如必须设有两个主控器，另外还须设有1个或多个PMIC 芯片，以便支持高达16个逻辑的PMIC 从属器。

“PWI 2.0标准能够以简单的双线接口实现先进的电源管理技术，例如自适应电压调节和多站式结构中的反向偏压。”国家半导体先进电源管理产品总监Ravindra Ambatipudi表示，“换言之，PWI 2.0技术能够帮助制造商提供处理器增强功能，例如数字多媒体处理和广播等全新功能，而且能够在延长电池寿命的同时维持供应链的灵活性。”

据悉，三星公司已获美国国家半导体授权采用其 PowerWise 技术，其中包括先进功率控制器，成为第一个采用这种技术的ARM合作伙伴。借助该创新技术，三星系统解决方案将可以进一步提高移动电话的数据传输速度，以及支持各式各样的功能，其中包括能提高电池效率的智能型功率控制功能，以满足客户的要求。

“美国国家半导体的 PowerWise 技术以及 ARM 公司的智能能源管理技术可以按照系统芯片的工作量灵活调节所需的最低电压及频率，藉此节省系统芯片的功耗。美国国家半导体及 ARM 公司的这些技术适用于不同的半导体制造工艺及温度，这一点对系统设计工程师来说非常重要，因为他们可以专注于电源管理系统的设计，确保多功能移动电话及其他便携式电子产品有较长的电池寿命。”市场分析公司Instat-MDR 首席分析师 Max Baron表示。