智能型手机电源系统设计

当今科技所需求的手机电池除了要能够长时间供应稳定电源外,体积小重量轻也是关键。缩小电路板面积、增长供电时间与减少成本该如何毕其功于一役？将众多电源管理组件整合在单一芯片上将是解决问题的最好途径。

早期的行动电话不是体积笨重庞大,就是必须受到汽车电池的束缚,但经过长时间的发展,今天的行动电话已变得非常轻巧,除了电话功能,它们还会做许多事。新型3.xG智能型手机把传统的2G行动电话和多种其它功能结合在一起,包括PDA、数字相机、音乐播放机（MP3）以及全球定位系统（GPS）。如此多元的功能需要许多零件,其中绝大多数的电源电压并不相同,电流需求则不断增加,使得它们需要更多电力。(图一)是从2G语音电话升级到3G视讯电话后,功率需求增加的估计值。

图一功耗值

在此同时,消费者却想要更精巧的手机。本文介绍两种电源管理系统,它们可以协助智能型手机设计人员在彼此冲突的目标间取得平衡,例如将封装减至最小,同时支持更大的功率需求;实现最佳效率,让电池提供最长的使用时间;以及将电源噪声和涟波降至可接受水平,以支持新世代的行动电话。

选择电池

选择充电电池是电源管理系统设计的首要工作之一,镍氢电池和锂离子电池则是目前仅有的两种实际选择。锂离子电池的单位体积蓄电量为270～300Wh/l,单位重量蓄电量为110～130Wh/kg,都高于镍氢电池的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同样蓄电量下,锂离子电池的体积和重量都小于镍氢电池;另外,锂离子电池的3.6V工作电压也高于镍氢电池的1.2V。

行动电话的多数功耗都来自于1.2V和3.3V电源,要让交换式电源转换器发挥最大工作效率,较有效的方法通常是从高电压转换至低电压,而不是从低电压转换至高电压,因此锂离子电池是最佳选择。

要让充电电池提供最长使用时间,适当的电池管理和控制就显得格外重要。电池管理包含三个部份：充电控制、电池监视和电池保护。从使用外接导通组件的线性控制器开始,到内建开关组件且效率更高的交换式控制器,充电控制组件已有长足进步。电池充电器必须处理500mA到1500mA范围内的电流,以便提供快速的充电周期时间。

电池监视和保护组件通常都与电池封装在一起,电池监视组件可以是简单的「电荷计量器」（coulombcounter）,由中央处理器负责计算电池剩余电力;也可以是内建微控制器的电池电力量测组件（gasgauge）,由它透过DSP与处理器之间的简单界面,直接提供剩余电力、剩余供电时间、电池电压、温度和平均电流量测值等资料。

电源拓朴

接着,设计工程师必须决定电源转换组件的种类,它或许是以电感为基础、并且内建FET开关的交换式电源转换器、无电感的交换式电源转换器（电荷泵浦）或是线性稳压器。这些转换器各有其优点。就效率而言,以电感为基础的转换器拥有最高的整体效率,其次是电荷泵浦,最后才是线性稳压器。成本通常反比于效率,因此线性稳压器成本最低,然后是电荷泵浦,最后则是以电感为基础的转换器。