便攜式電子產品電源的低功耗設計和管理

摘要：本文以便攜電子產品的低功耗為主旨，分別從高能密度電池的合理使用和智能電源動態管理等方面，論述了省電的各種原則和方法，可供有關工程師在研發產品時參考。

關鍵詞：低功耗；電池；設計；管理

Abstract： This essay is mainly about portable electric product's low-power consumption. n this essay， many principles and methods are discussed from proper usage of high-power battery and dynamic management of intellectual power that is used in system design and manufacture. This essay can be a reference for engineers when they develop some new products.

Key words： low-power consumption， battery， design and management

手機、多媒體播放器（PMP）、數碼相機、便攜式視頻游戲機、個人導航系統等等都深受消費者喜愛，為人們提供了方便和享受。但是，它們也遇到一個基本問題：它們的功能越來越豐富，外形日益精巧，而供電電池能量密度的提高速度卻跟不上這些產品對功耗的要求。人們總是希望電池一次充電后能夠提供較長的工作時間，所以開源節流就是解決這一問題的途徑。本文從"節流"的角度出發討論供電電池的使用和電源管理的有關問題，以達到省電的目的。

1.充電高能量密度的供電電池

便攜式（手持式）多媒體產品的顯著特點是輕、小，便于攜帶，功能越來越豐富。因此，大多采用可充電電池供電（少量產品采用一次性堿性電池供電），因此，高能量密度的電池不僅能為便攜式產品提供更長的供電時間，也成為影響產品價格的重要因素之一。

當前用于便攜產品的供電電池有三類：

（1）堿性電池：具有極低的自放電率，低的成本，是不可充電的電池，常用于低功耗的廉價產品，如遙控器、電動玩具等。

（2）鎳氫電池和鎳鎘電池：是可充電電池，具有較高的自放電率，其能量密度低于鋰離子電池，但其內阻低，價格較低，對保護電路要求不高，并且可以直接替代堿性電池，適合用于對成本較敏感及需要大負荷電流的產品，它們是最早用于移動手機和數碼相機的電池。

（3）鋰離子電池、鋰聚合物電池：它具有高能量密度，自放電率極低，沒有鎳鎘電池所具有的記憶效應，被廣泛用于手機、數碼相機、筆記本電腦、輕便電動車等產品，但目前其價格較高。

鋰離子電池組在使用中，必須具有較完善的安全保護機制，防止電池過充電深度放電，或反向連接。由于鋰元素非常活躍，在高溫環境下或者與金屬物接觸，有潛在的爆炸危險，故鋰電池不可暴露于高溫環境。

由圖一中曲線可知，電池容量與電池溫度有關。圖中曲線①顯示鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過程，曲線表明，在t=70℃～80℃時，比t=-20℃時電池可多充電20%的電量。曲線②表示電池以1.0C放電率放電到截止點2.5V時電池的剩余電量。曲線①和曲線②之間差值為電池負載所能獲得的電量。曲線表示電池以0.2C放電率放電到2.5V時電池的剩余電量。曲線①和曲線③之間差值為電池負載所能獲得的電量。

鋰電池充放電特性表明，在低溫或大電流放電時，電池的剩余電量較多，可有效利用的電量大幅減少。在實際選用電池時應充分注意鋰電池的這種特性（圖二為典型的鋰離子電池放電特性）。

此外，電池容量與電池的充放電次數有關。測試與實用表明，電池容量隨電池充放電次數的增加而減少，所以，定義一塊電池在其充滿電量降至初始容量的80%之前其充放電次數，稱為電池壽命。典型鋰電池壽命為300次-500次充放電次數，一般充電一小時電量可充到70%～80%，完全充滿電量約需2.5小時以上。

鋰電池壽命還受時間的影響，即電池出廠之后，不論是否使用（如在庫房中儲存），電池電量即開始逐漸下降，電量減少的快慢與環境溫度有關。例如，在25℃儲存時，一塊完全充滿電量的電池每年電量下降20%，而若在40℃時儲存，則每年電量下降達35%。

然而，實際情況表明，沒有完全充滿電量的電池，其老化過程則較為緩慢。例如，在25℃時，殘余有40%電量的電池，每年的電量下降只有約4%。所以，對于暫時不用或庫存的電池，儲存溫度不宜過高，且不宜把電量充滿。

在使用鎳氫電池或鎳鎘電池時，應注意鎳氫電池和鎳鎘電池具有記憶效應，故應在電池電量完全放完后，再進行充電，否則，電池的記憶效應將會使電池的有效可用電量越來越少。

2.智能動態電源管理設計

便攜式電子產品通常小而輕，因此對電源部分往往要求苛刻，要求在保證產品特性和功能的前提下，供電電池要能提供更高的能量密度和更長的運行時間。同時，能為IC芯片提供不同的工作電壓。

便攜式電子產品的電源管理主要包括三個方面：

電池管理：即含有電池充電安全保護、剩余電量測量及提示；

功率轉換：利用電源的單一電壓供電為各種負載提供適當的電壓和電流；

負載管理：根據各類負載工作模式，按供電程序和供電方式，提供功率。

具體討論如下：

（1）電池管理

對電池的管理主要是針對可充電電池的剩余電量測量，充電過程監管及安全保護措施。

電池剩余電量的測量是電池管理的首要任務。以往的電池電量計量大多采用電位檢測法，而鋰電池的放電特性表明，在很大范圍內，電池電壓幾乎與電池剩余電量沒有關系。因此，電壓監測電量精度低于25%。

目前，有三種類型的專用IC可以提供對電池的監測功能，包括電池電量、溫度、電壓、充電次數、使用時間等參數，它們分別是庫倫計、電量計及可編程電量計，它們在工作模式僅消耗電量數10A，休眠模式消耗1A。

充電管理和安全保護也是電池管理的另一項重要任務。充電管理就是要自動檢測、判斷電池的有效性，對充電過程進行自動檢測判斷，自適應地采用線性充電、脈沖充電、浮充電或恒壓、恒流充電方式，同時對電池溫度、充電時間、電池電壓等參數進行監測，防止電池過充電、深度放電、或反向連接等，確保電池安全。

由于鋰電池與鎳氫、鎳鉻電池性質不同，故采用的充電方式和保護監測措施也不相同，在設計中應注意。

（2）功率轉換管理

采用電池供電的電子產品受到體積、重量的限制，一般采用只提供某一個固定電壓的電池組。而電子產品往往含有DSP芯片、ASP芯片、存儲器、微控制器及I/O設備等，它們所需要的工作電壓/電流大多不相同，或者為節省功耗，還需要動態選擇不同的內核電壓，因此，要對單一供給的電池電壓進行各種功率轉換，以滿足各種負載的要求。

當前能提供功率轉換功能的IC芯片基本上采用三種功率轉換技術，構成三種功率轉換器：

ⅰ.低壓降穩壓器：這是一種傳統的線性穩壓器，通常用于模擬信號處理器芯片（因為它要求確保信號的完整性，在處理信號過程中不能有明顯的損傷）。因此，常采用這種線性穩壓器，并要求電流具有低的輸出噪聲，較高的電流紋波抑制比。利用它為射頻功放供電（如移動電話的功放），由于此時功放為線性工作狀態，基本上是固定負載阻抗，降低供電電壓非常有助于節省功耗，約比高電壓供電節省80%以上的功率。

另外，低壓降功率轉換還常為LEO驅動器、液晶顯示屏小鍵盤背光、音頻功放提供電源。

ⅱ.電感式同步降壓轉換器：這種功率轉換器主要優點是無論輸出/輸入電壓比有多大，都能以極高的效率輸出穩定的電壓。其缺點是因采用電感器，體積較大。若電感量小，則電流紋波較大，會在一定程度上影響IC的工作性能。

DSP、存儲器及數字I/O等在運行期間要耗用較多的功率，而新開發的IC器件其趨勢是采用較低的工作電壓，甚至低于1V，以便節省功率，其中有的芯片要長時間處于運行狀態。這種負載特點特別適用電感式功率轉換器。

當然，若便攜式電子產品在體積方面要求嚴格，此種功率轉換器的采用會受到限制。

ⅲ.開關電容器轉換器：這種轉換器無需電感器，可縮小印制板體積，有助于降低產品成本，其功率轉換效率高于低壓降功率轉換器，所以在對電源效率要求不是十分苛刻的情況下，這種功率轉換器是一種較為理想的選擇。

（3）負載管理

電源的負載管理就是根據電子產品中所采用的各類器件或功能模塊，如射頻功放、音頻放大、A/D變換、DSP、ASP、MCU、存儲器、I/O、LED、背光及指示燈、充電器等，對工作電壓的要求及根據其工作模式所設定的供電程序，由專用電源管理IC器件進行管理，為各類負載按工作程序提供合適的電壓和電流，以確保產品性能和能源使用效率。

因為便攜式電子產品的功能和用途差別很大，故在設計電源系統和管理方案時，應根據具體產品的要求，以高效實用為原則，切忌片面性。

綜上所述，從便攜式電子產品的低功耗設計為出發點，從供電電源使用及管理、印制板設計布設等方面，介紹了低功耗系統設計的方法及基本原則供有關人員參考。限于篇幅有限問題未能深入討論，有不當之處敬請讀者指正。

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作者簡介：程宇林（1970-）女，安徽宿州人，研究方向：應用電子。