便攜電子設備的高效電源系統設計策略

對于電池供電的便攜設備而言，除了需要突破處理能力的限制外，便攜式系統電源的性能也需要不斷改進。本文探討便攜嵌入式系統電源設計的注意事項以及設計中應遵循的準則。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電源設計都是有幫助的。根據本文描述的構造模塊，讀者可以為特定設計選擇合適的器件以及設計策略。

電源管理單元

為電源電路規定具體的功能和架構模塊并非微不足道，這些工作直接影響到電池供電系統的工作時間。電源系統架構會因嵌入式產品和應用領域的不同而各異。下圖是典型便攜嵌入式系統中的電源方案。

下面我們分別定義圖中每個組成部分的要求。假設該產品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是當有多個電源時，負責切換至合適的電源。在某些設計中可能需要考慮包括新興的USB和以太網供電（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；電量計電路連續監測電池電量狀況，并為用戶和電源管理軟件提供電池狀態信息。

系統可能需要多個DS-DC功率變換器。例如開關電源（SMPS）、LDO穩壓器、電荷泵等。這些不同的變換器用于產品設計內所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

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

高效電源的標準

在嵌入式應用中，電源效率并不限于傳統的系統輸出功率與系統輸入功率之比這樣一個定義。在嵌入式系統，高效電源方案應滿足以下標準：1. 采用電池供電時，設備可長時間工作；2. 延長電池壽命（充放電次數）；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，沒有單一的指導方針可以最大化電源方案的效率。不過，設計人員在開發電源系統時會考慮以下幾點：電池壽命（充放電次數）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充電電流（恒流模式）和終止/預充電電流值。當設計充電器電路時，必須嚴格遵守這些規范。

電池管理

對于消費類電子產品，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。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，一個經常被忽略的問題是：當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。同樣，當采用其中一個電源供電時，該電源的電壓不應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構，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壓器。

在采用開關電源的場合，設計人員應確保采用適當的拓撲（降壓、升壓、降壓-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，這種架構選擇在很大程度上取決于該變換器工作狀態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的電源管理方案。

用于濾除開關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。

熱設計應與電氣設計須夷不離。各個IC或無源器件的封裝必須要能處理其正常工作狀態下的發熱問題。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。緊湊型嵌入式產品通常沒有添加風扇的空間，但必須考慮到PCB上的通風通道以及足夠的散熱措施。

本文小結

電源設計往往被當作純粹的硬件設計。但是，為了得到高效的電源方案，設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：系統運行的應用種類、最低外設要求、最慢時鐘頻率以及運行此應用所需的最低電壓，并據此相應地控制電源輸出、時鐘發生器和接口IC的狀態。

遵循上述經驗規則可以顯著提高便攜式設備的電源性能。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。根據不同電源要求，一些應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品市場，電池壽命和設備工作時間是影響買方選擇的關鍵因素。