便攜電子設(shè)備的高效電源系統(tǒng)設(shè)計策略

對于電池供電的便攜設(shè)備而言，除了需要突破處理能力的限制外，便攜式系統(tǒng)電源的性能也需要不斷改進。本文探討便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計的注意事項以及設(shè)計中應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。這些原則對任何具有強大功能且必須以電池供電的便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計都是有幫助的。根據(jù)本文描述的構(gòu)造模塊，讀者可以為特定設(shè)計選擇合適的器件以及設(shè)計策略。

電源管理單元

為電源電路規(guī)定具體的功能和架構(gòu)模塊并非微不足道，這些工作直接影響到電池供電系統(tǒng)的工作時間。電源系統(tǒng)架構(gòu)會因嵌入式產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而各異。下圖是典型便攜嵌入式系統(tǒng)中的電源方案。

下面我們分別定義圖中每個組成部分的要求。假設(shè)該產(chǎn)品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是當(dāng)有多個電源時，負責(zé)切換至合適的電源。在某些設(shè)計中可能需要考慮包括新興的USB和以太網(wǎng)供電（PoE）等供電方式。

電池保護電路保護電池免受過壓、欠壓、過熱、過流及其它異常狀況的損壞；專門的電池充電電路應(yīng)在一旦有其它供電來源的情況就對電池進行充電；電量計電路連續(xù)監(jiān)測電池電量狀況，并為用戶和電源管理軟件提供電池狀態(tài)信息。

系統(tǒng)可能需要多個DS-DC功率變換器。例如開關(guān)電源（SMPS）、LDO穩(wěn)壓器、電荷泵等。這些不同的變換器用于產(chǎn)品設(shè)計內(nèi)所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

數(shù)字接口或硬件按鈕控制器負責(zé)開啟和關(guān)閉系統(tǒng)——有時也稱軟啟動。在一些最近推出的功率變換器中，數(shù)字接口也可被用來微調(diào)各種變換器產(chǎn)生的輸出電壓。在具有功耗意識的電源設(shè)計中，這種微調(diào)是必需的。

高效電源的標(biāo)準(zhǔn)

在嵌入式應(yīng)用中，電源效率并不限于傳統(tǒng)的系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)輸入功率之比這樣一個定義。在嵌入式系統(tǒng)，高效電源方案應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1. 采用電池供電時，設(shè)備可長時間工作；2. 延長電池壽命（充放電次數(shù)）；3. 限制元器件和電池本身的溫升；4. 提供集成軟件智能，以使效率最大化。

事實上，沒有單一的指導(dǎo)方針可以最大化電源方案的效率。不過，設(shè)計人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時會考慮以下幾點：電池壽命（充放電次數(shù)）取決于電池的充電特性；對鋰離子電池來說，制造商通常建議遵循最優(yōu)充電電流（恒流模式）和終止/預(yù)充電電流值。當(dāng)設(shè)計充電器電路時，必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)范。

電池管理

對于消費類電子產(chǎn)品，電池保護必須被視為基本特性，因為它與用戶的人身安全息息相關(guān)。必須采取充分的措施檢測電池的過壓、欠壓和溫度；必須選用諸如溫變電阻等合適的器件來確保無論在任何異常條件下，都能自動限制電流的大小；必須使用電量計。除了正常電量檢測功能外，它還能確保電池安全。大部分電量計安裝于電池上，可用于檢測電池溫度、放電電流等。

對于電源路徑控制器，一個經(jīng)常被忽略的問題是：當(dāng)從一個電源切換到另一個時，無論時間多短，都不能在兩者間形成回路。這可能需要額外的反向連接二極管或開關(guān)。同樣，當(dāng)采用其中一個電源供電時，該電源的電壓不應(yīng)通到另一個電源的輸入端。

由于存在很多可用的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，所以正確選擇電源變換器并非易事。一般來說，在需求高效率和大輸出電流的場合，必須避免使用線性穩(wěn)壓器。

在采用開關(guān)電源的場合，設(shè)計人員應(yīng)確保采用適當(dāng)?shù)耐負洌ń祲?、升壓、降?升壓，電荷泵，SEPIC等），以保證即使在電池電壓下降到最低工作值的情況下，電源也能維持期望的輸出電壓，這有助于延長設(shè)備的工作時間。

對于降壓變換器而言，同步變換器通常具有比非同步變換器更高的效率。不過，這種架構(gòu)選擇在很大程度上取決于該變換器工作狀態(tài)下所需的輸出電流以及占空比。因此，采用同步變換器所帶來的少許效率提升并不足以彌補所增加的成本。


圖：典型便攜嵌入式系統(tǒng)的電源管理方案。

用于濾除開關(guān)電源輸出紋波的電感種類的不同通常會對變換器效率有不同影響。在各種電感選擇中，低直流阻抗及在工作頻率下具有低磁損耗的電感是首選。

熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計須夷不離。各個IC或無源器件的封裝必須要能處理其正常工作狀態(tài)下的發(fā)熱問題。許多芯片制造商建議采用帶過孔的熱焊盤，并在PCB上采用大焊盤來更好地散熱。緊湊型嵌入式產(chǎn)品通常沒有添加風(fēng)扇的空間，但必須考慮到PCB上的通風(fēng)通道以及足夠的散熱措施。

本文小結(jié)

電源設(shè)計往往被當(dāng)作純粹的硬件設(shè)計。但是，為了得到高效的電源方案，設(shè)計人員需要為電源電路增加軟件智能。軟件控制的一些基本功能包括，檢測由電源路徑開關(guān)選擇的是哪種電源；在電池供電時，對不需要的電路減少供電電流。

更精妙的電源管理軟件還會包括其它參量，例如：系統(tǒng)運行的應(yīng)用種類、最低外設(shè)要求、最慢時鐘頻率以及運行此應(yīng)用所需的最低電壓，并據(jù)此相應(yīng)地控制電源輸出、時鐘發(fā)生器和接口IC的狀態(tài)。

遵循上述經(jīng)驗規(guī)則可以顯著提高便攜式設(shè)備的電源性能。例如，一款典型的30W多輸出電源方案的整體效率可高達85到90%。目前已多家集成電路制造商可提供一系列高集成度IC，具備上述各種功能。根據(jù)不同電源要求，一些應(yīng)用可能需要單芯片方案，而另一些則可能采用分立模塊。畢竟，在競爭激烈的嵌入式產(chǎn)品市場，電池壽命和設(shè)備工作時間是影響買方選擇的關(guān)鍵因素。