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      電子發(fā)燒友網(wǎng)>電子資料下載>電源技術(shù)>通過提高電能轉(zhuǎn)化效率和提高電能使用效率來實現(xiàn)手機電源的管理

      通過提高電能轉(zhuǎn)化效率和提高電能使用效率來實現(xiàn)手機電源的管理

      2017-09-13 | rar | 0.4 MB | 次下載 | 免費

      資料介紹

      一、提高電能的轉(zhuǎn)化效率
      隨著對電源管理要求的不斷提高，手持設(shè)備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開
      關(guān)式電源。但并非開關(guān)電源可以代替一切，二者有各自的優(yōu)勢和劣勢，適用于不同的場合。
      線性電源
      LDO 具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點。在輸出電流較小時，LDO 的
      成本只有開關(guān)電源的幾分之一。LDO 的封裝從 SOT23 到 SC70、QFN，直至 WCSP 晶圓
      級芯片封裝，非常適合在手持設(shè)備中使用。對于固定電壓輸出的使用場合，外圍只需 2 到 3
      個很小的電容即可構(gòu)成整個方案。
      超低的輸出電壓噪聲是 LDO 最大的優(yōu)勢。但 LDO 的缺點是低效率，且只能用于降壓的場
      合。LDO 的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比：η=Vout/Vin。在輸入電壓為 3.6V（單
      節(jié)鋰電池）的情況下，輸出電壓為 3V 時，效率為 90.9%，而在輸出電壓為 1.5V 時，效率
      則下降為 41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時，不僅會浪費很多電能，而且會造成芯
      片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
      開關(guān)式電源
      電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的
      拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉(zhuǎn)的功能。
      電感式開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。在產(chǎn)品工作時主要的電能損耗包括：內(nèi)置或外置
      MOSFET 的導(dǎo)通損耗，主要與占空比和 MOSFET 的導(dǎo)通電阻有關(guān)；動態(tài)損耗，包括高側(cè)和
      低側(cè) MOSFET 同時導(dǎo)通時的開關(guān)損耗和驅(qū)動 MOSFET 開關(guān)電容的電能損耗，主要與輸入電
      壓和開關(guān)頻率有關(guān)；靜態(tài)損耗，主要與 IC 內(nèi)部的漏電流有關(guān)。
      在電流負(fù)載較大時，這些損耗都相對較小，所以電感式開關(guān)電源可以達(dá)到 95%的效率。但
      是在負(fù)載較小時，這些損耗就會相對變得大起來，影響效率。這時一般通過兩種方式降低導(dǎo)
      通損耗和動態(tài)損耗，一是 PWM 模式：開關(guān)頻率不變，調(diào)節(jié)占空比。二是 PFM 模式：占空
      比相對固定，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。
      電感式開關(guān)電源的缺點在于電源方案的整體面積較大（主要是電感和電容），輸出電壓的紋
      波較大。在 PCB 布板時必須格外小心以避免電磁干擾（EMI）。
      為了減小對大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開關(guān)頻率是非常有效的辦法。
      電容式開關(guān)電源
      電荷泵是利用電容作為儲能元件，其內(nèi)部的開關(guān)管陣列控制著電容的充放電。為了減少由于
      開關(guān)造成的 EMI 和電壓紋波，很多 IC 中采用雙電荷泵的結(jié)構(gòu)。電荷泵同樣可以完成升壓、
      降壓和反轉(zhuǎn)電壓的功能。
      由于電荷泵內(nèi)部機構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓與出入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時，比如 2 倍或 1.5
      倍，最高的效率可達(dá) 90%以上。但是效率會隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化，有時效率也
      可低至 70%以下。所以設(shè)計者應(yīng)盡量利用電荷泵的最佳轉(zhuǎn)換工作條件。
      由于儲能電容的限制，輸出電壓一般不超過輸入電壓的 3 倍，而輸出電流不超過 300mA。
      電荷泵特性介于 LDO 和電感式開關(guān)電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設(shè)計，
      EMI 和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。
      二、提高電能的使用效率
      在手機中，減少能量的浪費、將盡量多的可用電能用于實際需要的地方，是省電的關(guān)鍵
      手持設(shè)備電源系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)
      信號處理系統(tǒng)
      信號處理系統(tǒng)主要是信號處理器是手機的核心部分，它如同人的心臟，會一直工作，因此它
      也是一個主要的手機電能消耗源。那么應(yīng)如何提高它的效率呢？一般來說可采用以下兩種方
      法。
      方法 1：分區(qū)管理。將處理某項任務(wù)時不需要的功能單元關(guān)掉，比如在進(jìn)行內(nèi)部計算時，將
      與外部通信的接口關(guān)斷或使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了達(dá)到這一目的，手機中的信號處理器往往
      涉及很多個內(nèi)部時鐘，控制著不同功能單元的工作狀態(tài)。另外，為不同功能塊供電的電源電
      路是可以關(guān)斷的。
      方法 2：改變信號處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數(shù)的信號處理器是用 CMOS
      工藝制造的。在 CMOS 電路中，最大的一項功率損耗是驅(qū)動 MOSFET 柵極所引起的損耗。
      可以看出功率損耗與頻率和輸入電壓，即 IC 的電源電壓的平方成正比。所以針對不同的運
      算和任務(wù)，把頻率和電源電壓降低到合適的值，可以有效地減少功率損耗。
      DVS（動態(tài)電壓調(diào)整）技術(shù)有效地將處理器與電源轉(zhuǎn)換器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，通過 I2C 等總線
      動態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，同時調(diào)節(jié)自身的頻率。TPS65010 集成了充電電路、電感式 DCDC
      和 LDO。同時還可以通過 I2C 總線對各路輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常適合為 OMAP 和類似
      的處理器供電。
      音頻功率放大部分
      音頻功率放大器是手機中又一能量消耗大戶，輸出功率可達(dá) 750mW，對于帶有免提功能的
      手機可達(dá) 2W。如何提高放大器的效率呢？傳統(tǒng)的技術(shù)采用 AB 類線性放大器，其效率隨輸
      出功率變化，最好只有 70%。使用 D 類功率放大器，利用 PWM 的方式，可使效率提高到
      85-90%。
      目前為了使設(shè)計者更方便地進(jìn)行電源管理，一些廠商開發(fā)了電源管理的軟件用于嵌入式操作
      系統(tǒng)。運用這類操作系統(tǒng)，可以有效地降低軟件編制中的工作量，同時優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。
      電源管理對手持設(shè)備日趨重要。一個高效的系統(tǒng)是要將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計的每一個
      環(huán)節(jié)，并且平衡系統(tǒng)多方面因素設(shè)計完成的。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，會有
      越來越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的不斷發(fā)展助力。

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