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电源管理
如何使可携式产品发挥最高的电池效用
录入时间:2011-3-2 14:05:18

不断地加入新功能或提升其运作效能,是手机、智能型手机、数字媒体播放器或数字相机等可携式产品发展的趋势。这类需求通常需要使用更强大的处理器并加入更复杂的模拟电路,但结果往往会使应用电路更加耗电。对于不断提升的电源需求,增加电池容量也许是个解决之道,增加电容则可藉由更大的电池或更进步的电池技术来达成。加大电池尺寸通常不是常见的做法,因为电池外壳也有尺寸限制。由于现有的电池技术及开发中的新技术皆无法在不改变目前电池尺寸的情况下满足这些提升的电源需求,因此亟需更进阶的电源管理电路。另一方面,市场对于解决方案尺寸上的严格要求,也使得此一挑战更加严峻。

以往,只要使用几个线性稳压器便能提升所需的效能。这些线性稳压器直接连接于电池,以产生所需的系统电压轨,而可携式产品使用的许多电源管理装置都只使用线性稳压器来控制电源。过去使用的一般电池技术都采用 3 节镍镉 (NiCd) 或镍氢 (NiMH) 电池。为了达到更高的效能,这些化学材质电池几乎已完全被单节锂电池所取代。随着应用所需的电流不断增加,某些线性稳压器也已被成本较高但效能较佳的降压转换器所取代。处理器核心及 I/O 等的电源轨就是如此产生的。

由于线性稳压器及降压转换器只能够在输入电压较高的情况下调节输入电压,因此,如果电池电压低于设定的输出电压,系统就必须关闭。其中,线性稳压器的最低压差容限或横跨电感与开关的压降容限必须加入输出电压中,因此,在锂电池一般所产生的3.3V 电源轨中,使系统关闭的一般电池电压是 3.4V。在此情况下,便无法使用放电至 3.0V 时才会出现的剩余电源。在现有锂电池中,透过测量可显示的剩余电源大约是 10%,这表示,任何电源管理解决方案若要使用此剩余电源,其运作效率必须高于降压转换器解决方案减掉大约 10% 之后的效率。换句话说,除了使用平均效率约为 97% 的降压转换器,其他任何替代解决方案的执行都必须发挥高于 87% 的平均效率,才能增加单颗电池电量在应用中的运作时间。这对升降压转换器解决方案而言是个相当困难的挑战。SEPIC 或返驰式解决方案的一般效率最多可达到经济型可行解决方案的 85%。若要达到此效率,必须考虑同步整流等多种提升效率的方法,而且此一解决方案的尺寸势必会大于降压转换器的尺寸。使用 4 次开关的升降压转换,其中固定会有 2 个开关同时主动切换,才可在优化的解决方案中达到近似 85% 的效率。从这个观点来看,升降压转换器的使用毫无优点可言,所以过去完全不予实行。

除此之外,还有其他挑战必须克服。例如,手机会在数据传输期间使用高电流脉冲供电给 RF-PA。这些脉冲电流会直接取自电池,造成电池阻抗及电池连接器出现额外的电压降幅,进而可能会使得系统电压监测装置在电流脉冲期间因为电源电压不足而关闭系统。手机里 LED 型相机闪光灯应用或媒体播放应用的硬盘驱动,都会对电池造成类似的效应。老化或低温所导致的电池阻抗增加将使这些问题更形严重,此时可使用升降压转换器来处理重要系统电源轨的电源电压降幅。如此一来,系统的运作将更加平稳,而且可对较低的电池电压进行放电。此外,电池的效能也相对提升。使用较宽的输出电压范围通常可增加电池容量,例如未来的锂电池技术最高可充电至 4.5V,而放电程度最低可达到 2.3V。如果在 3.4V 即行断电,就会有相当多的电池容量未被使用到。另外,目前有许多电池技术能够以低于 3.4V 的电压进行运作,硫化锂电池便是其中一例。

此一情况无疑需要进行升降压转换。其中一个可行的简易方式是藉由产生单个高系统电压轨(例如 5V)以产生高于电池断电电压的所有系统电压轨。使用较大的高效率升压转换器及串联的降压转换器通常就能够达到此目的,其整体的电源转换效能可轻易到达 90%以上。然而,额外添加升压转换器会占用更多空间,因此对于可携式手持装置并非切实可行。

另一种方法是利用升降压转换器直接从电池产生系统电源轨。如前所述,电源转换的效率对设计出具竞争力的电源管理解决方案来说是一个相当重要的参数,另一项重要参数是解决方案的尺寸。就这点来说,采用 SEPIC 或返驰式拓朴的升降压转换解决方案并不适合,因为该方案需要额外的大型被动组件,并且通常其效率较低。运用 4 个开关的单一电感解决方案最能够满足这些需求。然而,在操作中使用简易的驱动机制时,固定会有 2 个开关同时进行操作,导致流经这些组件的 RMS 电流较高,因此会降低效率,而且会增加电感及开关在尺寸上的需求。如果仅主动驱动一侧的开关,也就是一直将装置做为降压或升压转换器之用,则可达到最高的效率,而且由于 RMS 电流较低,因此解决方案尺寸最小。在此情况下,降压及升压转换会在两个拓朴都达到最高效率的运作点时完成。图 1 的范例显示升压 (TPS61020) 及降压 (TPS62046) 转换器的效率与输入电压曲线。


1. 升压 (TPS61025) 及降压 (TPS62046) 转换器的效率与输入电压曲线。

 

2 以TPS63001 为例,显示了优化升降压解决方案的效率与输入电压曲线,展示出这类控制策略的绝佳实作方式。


2. 升降压转换器 TPS63000 的效率与输入电压。

正如同前文对独立式升压及降压转换器所做的预测,当输入电压和输出电压接近时,所达到的效率最高。由于这是升降压解决方案最可能的运作情况,因此 TPS63001 能够妥善解决这类应用的挑战。 

如图 2 所示,在重要的运作输入及输出电压上,优化的控制机制能够达到 95% 的效率,因此 TPS63001 也可用来改善标准锂电池供电应用的运作时间。使用电池的全部电量,并且在整合式安全电路可承受的范围内放电到 3.0V 甚至是 2.5V,便能够达到此一目的。图 3 显示使用 TPS63000 将锂二氧化锰 (Li-MnO) 电池放电到 2.5V 时,其电源转换的效率。相较于高效能降压转换器的电源解决方案 (TPS62046),藉由对两种转换器架构使用相同负载,电池使用时间可提升 15%。

 

       
3. 升降压及降压转换器在锂二氧化锰电池放电期间的效率。       


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