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电源管理的整体优化方案分析1综述当前随着的功能的复杂程度越来越高，中高端的待机电流和正常工作消耗电流 也越来越大，而用户对待机时间的要求也越来越苛刻，因而用户对电池的能量需求也越 来越高，现有的锂离子电池已经越来越难以满足消费者对正常使用时间的要求对此，业界 主要采取两种方法：（1） 开发具备更高能量密度的新型电池技术，如当前正逐渐普及应用的锂一聚合物 电池或者未来将有可能大规模使用的燃料电池，但前者的效果并不非常明显， 而后者在当前的厂商低成本化浪潮的压力下更显得不切实际；（2） 在电池的能量转换效率和电路的节能方而下功夫，也就是集中精力搞好手 机的电源管理整体解决方案，这是比较务实并且可行的做法为提供电能的技术在最近几年虽有不少创新和发展，但是还远远不能满足功能 发展的需要，因此如何提高电源管理技术并延长电池使用寿命，已经成为开发设计中的 主要挑战之一一个功能完善的正常工作时的时间分配比例大致如下图所示：正常工作时间分配示意图□关机(31%)口通话(4%)□ MP3 (5%)□ PDA (6%)■ GPS (3%)口待机(50%)功能各部分的功耗分配如下:待机:8-10mW.彩显:300-350mW,闪光灯:400~500niW、扬声器:500~1000m\V、通话: 80-150mW （芯片部分）、数码相机:100~120mW、MP3： 50-J20mW （芯片部分）除此以外还有很多其它的功能所造成的功耗，这么多的用电量对于区区650niAh〜 1050mAH的电池来说，无疑是相当大的，尤其是PDA在功能强大、时钟频率快而又电 池容量不够大的情况下，很快就会将电池的电量消耗干净。

因此，在当前新的电池技术还不 够成熟的情况下，要想尽可能地延长工作时间，就只能在电源管理的整体优化上努力不过，设计者首先必须明白消费者对的要求，这主要体现在以下几个方面：（1） 体积小这要求提高系统的集成度，缩小元器件的封装体积，减小PCB板的 而积，这可能会增加设计中解决电磁干扰（EMI）的难度2） 重量轻、要求使用高效能的电池，在有限的体积和重量下，提高电池的能量密 度目前大部分都使用单节锂离子或锂聚合物的电池，容量为 850-1 OOOmAHo（3） 通话时间尽可能长要求提高工作时对电池中电能的转换效率，减少待机时的 漏电电流，提高使用效率4） 铃声尽可能比较炫并且声音大通常在年轻人的心目中铃声炫比较引人注 意符合潮流而声音大则符合当前中国交通拥挤、环境声音嘈杂的实际局面这 样的情况就要求扬声器的功耗尽可能适中，以提高其使用效率5） 功能尽可能多、对于比较注重潮流和流行的一代来讲，带拍照、MP3、 上网等功能已经是基本的需求，多功能必然导致大的待机电流，尽可能将空闲 状态的睡眠电流降低到最小而又能快速苏醒成为必不可缺少的有趣课题6） 价格便宜、要求产品的方案集成度高，分立器件少而且成本低廉。

第五，产品 更新快要求元器件简单易用、便于设计使用，硬件软件平台统一，便于增加 新的功能和特色总上所述，的电源管理要在进行系统方案设计时综合考虑，平衡省电、成本、 体积和开发时间等多种因素，进行最佳选择总的来讲，可以从提高电能的转化效率和提高 电能的使用效率两方而着手进行的整体电源管理2优化整体电源管理的方法2.1提高电能的转化效率随着对电源管理要求的不断提高，手持设备中的电源变换从以往的线性电源逐渐走向开 关式电源但并非开关电源可以代替一切，二者有各自的优势和劣势，适用于不同的场合1） 线性电源 —— LDO（低压降稳压器）LDO具有成本低、封装小、外困器件少和噪音小的特点在输出电流较小时，LDO的 成本只有开关电源的几分之一LDO的封装从SOT23到SC70、QFN.直至WCSP （晶圆级 芯片封装），非常适合在手持设备中使用对于固定电压输出的使用场合，外围只需2到3 个很小的电容即可构成整个方案超低的输出电压噪声是LDO最大的优势TI的TPS793285输出电压的纹波不到35 u Vrms,又有极高的信噪抑制比（PSRR=70dB,在10kHz处），非常适合用作对噪声敏感的RF 和音频电路的供电电路。

同时性电源中因没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰 （EMI）,所以便于设计但LDO的缺点是低效率，且只能用于降压的场合LDO的效率取决于输出电压与输入 电压之比：n=Vout/Vin在输入电压为3.6V（单节锂电池）的情况下，输出电压为3V时，效 率为90.9%,而在输出电压为1.5V时，效率则下降为41.7%这样低的效率在输出电流较 大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热影响系统稳定性2） 开关式电源一一又分为电感式开关电源和电容式开关电源• 电感式开关电源电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件，为负载提供持续不断的电流通过不 同的拓扑结构，这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能电感式开关电源具有非常高的转换效率在产品工作时主要的电能损耗包括：1） 内置或外置MOSFET的导通损耗，主要与占空比和MOSFET的导通电阻有关；2） 动态损耗，包括高侧和低侧MOSFET同时导通时的开关损耗和驱动MOSFET开关 电容的电能损耗，主要与输入电压和开关频率有关：3） 静态损耗，主要与IC内部的漏电流有关在电流负载较大时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源可以达到95%的效率。

但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起来，影响效率这时一般通过两种方式降低 导通损耗和动态损耗，一是PWM模式：开关频率不变，调廿占空比二是PFM模式：占 空比相对固定，调节开关频率电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大(主要是电感和电容)，输出电压的 纹波较大在PCB布板时必须格外小心以避免电磁干扰(EMI)o为了减小对大电感和大电容的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办法TI的TPS62040的开关频率达1.2MHz,当输出电流为1.2A时，外部电感只需6.2 u氏 今 后TI还会推出开关频率更高的产品• 电容式开关电源一一电荷泵电荷泵是利用电容作为储能元件，其内部的开关管阵列控制着电容的充放电为了减少 由于开关造成的EMI和电压纹波，很多IC中采用双电荷泵的结构电荷泵同样可以完成升 压、降压和反转电压的功能由于电荷泵内部机构的关系，当输出电压与出入电压成一定倍数关系时，比如2倍或 1.5倍，最高的效率可达90%以上但是效率会随着两者之间的比例关系而变化，有时效率 也可低至70%以下所以设计者应尽量利用电荷泵的最佳转换工作条件由于储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的3倍，而输出电流不超过300mA. 电荷泵特性介于LDO和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外困电路设计, EMI和纹波的特性居中，但是有输出电压和输出电流的限制。

目前的电压转换芯片的应用中，由于考虑到效率的问题，低成本的LDO使用越来 越少,相应的DC/DC转换器和充电泵的使用相应增加，目的是为了让效率更高，无谓的消 耗更少2.2提高电能的使用效率在中，减少能量的浪费、将尽量多的可用电能用于实际需要的地方，是省电的关键• (1)信号处理系统信号处理系统(主要是信号处理器)是的核心部分，它如同人的心脏，会一直工作， 因此它也是一个主要的电能消耗源那么应如何提高它的效率呢？ 一般来说可采用以下 两种方法• 分区管理将处理某项任务时不需要的功能单元关掉，比如在进行内部计算时，将与外部通信的接 口关断或使其进入睡眠状态为了达到这一目的，中的信号处理器往往涉及很多个内部 时钟，控制着不同功能单元的工作状态另外，为不同功能块供电的电源电路是可以关断的• 改变信号处理器的工作频率和工作电压目前绝大多数的信号处理器是用CMOS工艺制造的在CMOS电路中，最大的一项功 率损耗是驱动MOSFET栅极所引起的损耗，其大小为Ploss= Cgf(Iout)Vin2, Cg为栅极电容, f为频率可以看出功率损耗与频率和输入电压，即IC的电源电压的平方成正比所以针 对不同的运算和任务，把频率和电源电压降低到合适的值，可以有效地减少功率损耗。

譬如，TI的DVS(动态电压调整)技术有效地将处理器(如OMAP)与电源转换器连接成闭 环系统，通过I2C等总线动态地调节供电电压，同时调1用身的频率TPS65010集成了充 电电路、电感式DCDC和LDO同时还可以通过I2C总线对各路输出电压进行调竹，非常 适合为OMAP和类似的处理器供电飞利浦的电源管理方案中也采用集成的电源管理模式，包含全部的电压产生和监控电路 并集成料电源以及充电管理，它还包含一个用户身份识别的SIM接口以及其升压电路，它 由系统控制器通过400KHZ的I2C总线来控制其中的ON/OFF控制模块(OOC)决定了 耗电功率的上升和下降次序OOC的状态决定了系统的状态：NO POWER. WAIT.BAT, OFF, SLEP和ACTIVE,从而实现了所有模式下的最小功耗2) 功率放大部分中基本的通信部分需要在两个地方加强低功耗的控制，音频的功放部分以及射频的 功放部分，这中间去掉射频器件选择的局限性外，主要考虑的音频功放的部分通常在选择器件的时候，在满足功能的前提下尽可能选择功耗和漏电压相对较小的器件 对于我们来讲相当重要，但是往往在过分关注这些方而的同时，电子工程师们又不得不面临 元器件成本的压力，这一点必须综合考虑才可以选择相对比较合适的器件。

• 音频功率放大部分音频功率放大器是中又一能量消耗大户，输出功率可达750mW,对于带有免提功 能的可达2W如何提高放大器的效率呢？传统的技术采用AB类线性放大器，其效率 随输出功率变化，最好只有70%使用D类功率放大器，利用PWM的方式，可使效率提 高到85〜90%如TPA2010D1可以输出2W的功率，效率可达90%TPA2010D1的连线原理图如下所示：° > Values shown are for EVM revision A ony. Fcrnon-re/ A EVMs. R1 =R2 = 80.4 kQ. Av = 5 V/V.采用上述的连线方式，可以保证较高的功率输出和利用效率• 射频功率放大部分射频部分的功放往往已经在平台选择的时候己经定好，所以改动的自由度相对较小，但 我们可以在射频的软件部分针对收发的部分进行优化，尤其在和基站的通信过程中，恰当的 设定相应的睡眠和唤醒时间参数可以保证相对较低的功耗以下是Philips平台的功放芯片外围电路的连线示意图以及不同模工作状态下的信号示 意图从图中可以看出，由TX-VCO产生的RF信号经U101的P48和P37进入，在U101内 部，相应频段的功率放大器都是由三段放大构成的，输出的功率被一个内部的功率控制模块 控制，它通过改变三个阶段放大器的偏置来实现功率级的调节功能。

功率控制模块有三个信号哦输入端，分贝为TX_EN, Vramp, VCC1,其中TX_EN是 功率控制使能输入，它是高电平的时候，U101工作在放大状态，它是低电平的时候，U101 处于空闲状态通过程序的适当调整可以实现工作和空闲状态的切换，从而实现功耗的最小 化Vramp则是调整输出功率的参考电压，它的电压的高低，决定着U101功率放大的比例 VCC1是GSM (P46)和DCS (P39)前置放大器的稳定供给电压MODEMode duw3ii|j