电池供电型便携式无线设备的电源架构向“绿色”迈进

一个由电池供电的便携式无线设备存在着很多系统设计师必须克服的关键问题。最重要的问题之一是如何让热量从设备中散出，因为这类设备通常没有用于冷却目的的风扇。结果，可能用于这类设备中的电源转换和管理IC必须是高热效率的，因为电源转换效率不佳的主要副产品就是热量。

这种热量是在能量输送过程中由稳压器内损失的功率所产生。此外，在很多便携式设备内部，用于冷却目的的空气流动有限，而且散热器由于自身尺寸和设备内可用空间而受到限制，因此器件密集排列的印刷电路板必须处理这种热量。不过，这种热量转化成产品内部工作(环境)温度的上升，这可能对长期可靠性产生有害影响。

一个DC/DC转换器的转换效率可以用输出功率除以输入功率来计算，或者换一种说法，是负载功率除以输入功率。系统设计师必须根据电源转换过程产生的热量仔细考虑应该使用的稳压器类型。因此，很多电池供电型便携式无线设备制造商的常见做法是，采用开关稳压器而不是更简单的线性低压差稳压器，因为开关稳压器的工作效率更高。

电源架构趋势

图1是一个典型的电池供电型便携式无线设备的电源转换和管理架构。不是所有产品都含有一个集成的电池充电器，因为有些制造商更喜欢将电池充电器放在一个附属充电座中。这些充电座允许同时进行该设备与主计算机的通信，并提供必需给电池再充电的充电电流。另外，有些制造商不想增加成本和设计时间以将电池充电器设计和制造在产品中，而是简单地选择用单节或多节标准圆柱形AA或AAA型电池为产品供电，而不管电池的化学组成类型。

图1 一个典型的电池供电型便携式无线设备的电源架构

在几乎任何类型的便携式无线设备中都需要几个不同的电压轨，这种情况很常见，除了某些类型的电池，这些设备可能还有多个输入电源。这些电压轨一般包括一个3.0V或3.3V的主系统总线、一个1.2V的微处理器或DSP内核电压、用于I/O的1.8V、用于射频电源的2.8V、用于USBOTG支持或为音频电路供电的5V、以及一个为LED阵列供电以实现显示器背光照明的LED驱动器。不过，一个常见的问题仍然存在，那就是如何最佳地管理来自各种不同输入电源的可用功率，以优化最终产品的功能，同时给电池充电(如果电池存在)。解决这个复杂问题所需要的是简单和有效的电源通路控制电路。

电源通路控制是一个自动的负载优先处理电路，在优先向系统负载供电的同时，能自主和无缝地管理如USB端口、交流适配器和电池等多个输入电源之间的电源通路。在传统的电池馈送型充电系统中，用户必须等到有足够的电池充电量和电压值，才能获得系统功率。相反地，电源通路控制允许最终产品在一插电就立即工作，而不管电池的充电状态如何，这常常称为“即时接通”工作。

电源通路控制电路可以用线性和开关拓扑实现。线性电源通路拓扑的好处是易于实施和具成本效益。不过，开关模式电源通路拓扑可提高向系统负载和电池供电的效率。开关模式电源通路拓扑是通过消除在线性电池充电器单元损失的功率做到这一点的，当电池电压低和/或输入功率有限时(例如，靠一个受限的USB端口供电)尤其重要，从而使这种拓扑具有卓越的热特性。第二个突出优点是，当电池电压低时，它能够从一个标准USB端口(约2.3W)抽取高达700mA的电池充电电流。这之所以成为可能，是因为开关拓扑有高于90%的转换效率，而线性拓扑的标称转换效率仅为60%。幸运的是，有很多模拟半导体供应商同时提供独立和高度集成的电源通路控制IC。
由AA或AAA电池供电的设备需要特别考虑

除了锂离子电池，出于便利性、可用性和成本原因，多种便携式无线设备仍然由两节可再充电或不可再充电的AA或AAA型电池(采用镍、碱性或新的圆柱形锂化学材料)供电。不过，正如已经提到的那样，管理进入手持式设备的电源通路是一个日益复杂的任务，因为产品中存在多种电源电压，空间非常有限但需要最佳效率。常见的情况是，这些因素促进了为很多电池供电型设备而开发的高度集成电源管理IC(PMIC)。

不过，当使用一个由两节AA或AAA电池和一个5V AC适配器或一个5VUSB端口供电的便携式无线设备时，最大的障碍之一是为主电源轨提供一个固定3V或3.3V输出，以及提供一个为微处理器或DSP内核电压供电的1.2V输出。当该设备由5V交流适配器或5VUSB端口供电时，仅需要降压型DC/DC转换器。不过，当该设备由电池供电时，常常需要一个降压-升压型DC/DC转换器来为主电源轨提供3V或3.3V电压，同时需要一个降压型DC/DC转换器来为大规模数字处理器内核提供   1.2V电压。这是因为，两节AA(镍或碱性)电池的放电曲线是从3.2V直至   1.8V，不过，用“新”的圆柱形锂AA和AAA电池，这个范围已经向上移动了约0.4V，因此需要一个降压-升压型稳压器以更高效率在整个电池放电范围内调节3.0V或3.3V。此外，常常需要第二个降压通道来为标称值为1.8V的存储器供电。