今天,人们不断谈论着便携设备大幅提升的性能和品种丰富的应用,尤其是掌上型或书包中的消费电子产品,它们的介绍手册中所提及的内容着实让用户眼花缭乱并且心旷神怡。但是对于系统或电路设计工程师来说,他们十分清楚一件事:无论是多么引起人们感官刺激和愉悦的便携消费产品,它们最需要的是电源系统的支撑。体积小、时间长、热量低、效率高……,所有这些苛刻要求都贯穿在电源管理与控制解决方案的开发过程中。
简单而言,为了应对便携设备对电源系统的需要,行业人员主要从两个方面寻求突破:第一,尽可能为系统发现和挖掘出更多的能量;第二,由于便携设备大多时间是靠电池驱动,因此还要在系统正常工作前提下尽可能找到节省能量的方法。也就是说,开“源”和节“流”是便携设备电源系统设计的重中之重。

电线以外的电
即使是便携设备产品,它们对AC/DC电源转换器市场的贡献也是最大的。同时我们也发现,业界正在使用一些间接借助电力线的方式为便携产品提供外部电源。市场上已经能够看到很多基于USB充电技术的数码音频产品,这些产品与PC等设备通过US
B传输线相连,在下载数据的同时也将直流电压的能量储存在电池中。而PoE(以太网供电)是更加具有独立性的外部供电方式,但是这种技术目前遇到两个比较大的瓶颈:很低的负载允许功率以及电力噪声对数据传输的干扰。
锂电池是否还有潜能?
除了在供电线路方面开动脑筋,业内人士也对便携设备的储能元件——电池大费周章。目前,便携设备中绝大多数都在使用锂电池,我们估计电池厂商们可能认为燃料电池在技术成熟度、使用成本以及安全性(交通系统对可燃物质的管制)方面仍然有待改进,因此他们依旧致力于提升锂电池的功率和能量密度。而芯片厂商在等待燃料电池技术继续提升的同时,也开始关注精确计算剩余电池电量方面的技术,以便更加延长电池的使用寿命。以往的电池计量技术大多采用电位检测方法,但这种方法容易造成电池剩余电量的误报,系统有时甚至会在15%的电池电量剩余时就过早地发出关机警报。因此,有些芯片厂商开始考虑把电池的总电荷量(而不是电位值)作为判别依据,这一数据可以通过对电池阻抗的测量而计算出来。

LDO和开关电源并非“你死我活”
在我们之前进行的一次调查中,我们发现设计工程师在开发电源系统中电池以后的部分——电源管理系统时,遇到了最大的挑战。工程师们在DC/DC模块中选用开关型转换器替代传统的LDO(线性稳压器),因为LDO在高频转换和电压差值较大的情况下效率较低。但是他们后来也发现,开关型转换器也存在一定的噪声干扰和高静态电流等问题,这种情况在处理器供电应用中尤为突出。处理器开发商为了让处理器在不执行指令时保持极低的电能消耗,往往把产品设置为“深度睡眠模式”和“唤醒工作模式”两种状态。而如果在“深度睡眠模式”下仍然采用开关型转换器,其噪声和静态电流性能反而不如LDO优越。
基于这种情况,已经有厂商针对处理器(例如基带处理器)供电应用推出了LDO与开关型转换器双模系统。当处理器处于“唤醒工作模式”时,系统通过芯片内部开关切换成PWM模式,LDO输出为高阻态,为处理器提供较高的电压和较大的电流;而当处理器处于“深度睡眠模式”时,系统通过芯片内部开关切换成LDO模式,SW输出为高阻态,为处理器提供较低电压和微小电流。由此看来,开关型转换器与LDO技术或许并不是完全取代的关系。

让自然光帮助照明
背光与照明电路同样是便携设备产品中的耗能“大户”,如果能够真正有效改善这部分电路的消耗,我们或许就不用每天都那么紧张地检查书包里充电器是否齐备了。目前市场上关于背光和照明电路电源管理的技术可谓层出不穷,同时业界也一直处在对电容充电泵升压与电感转换升压两种方法“孰优孰劣”的徘徊之中,因此渐渐地很多设计工程师陷入了追求完美电源管理方案的“泥潭”。而日前我们通过与一家芯片供应商的交流,得知了一种让我们觉得更有前途的设计方法——借助自然光照明。这家芯片厂商提供了“透明”的背光电源控制芯片,采用ODFN封装技术,将自然光感应电路与光/数转换器(ADC)集成在一起,通过I2C总线将正比例于光感强度的信号传至MCU(微控制器),从而动态调整背光和照明电路所需的偏置电压。
PWM过久处于100%不甚划算
如果便携设备具有无线通信能力,那么就意味着它必然带有RF(