手机电源管理技术探秘

最新更新时间:2014-12-10来源: 互联网关键字:手机  电源管理 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  随着手机的功能越来越多,用户对手机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,一是开发具备更高能量密度的新型电池技术,如燃料电池;二是在电池的能量转换效率和节能方面下功夫。

  为手机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手机功能发展的需要,因此如何提高电源管理技术并延长电池使用寿命,已经成为手机开发设计中的主要挑战之一。

  同时,设计者还必须明白消费者对手机的要求,这主要体现在以下几个方面:第一,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板的面积,这可能会增加设计中解决电磁干扰(EMI)的难度。第二,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。目前大部分手机都使用单节锂离子或锂聚合物的电池,容量为850-1000mAH。第三,通话时间长。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。第四,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。

  因此,手机的电源管理要在进行手机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面着手进行手机的整体电源管理。

  一、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。

  ·线性电源

  LDO具有成本低、封装小、外围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35μVrms,又有极高的信噪抑制比,非常适合用作对噪声敏感的RF和音频电路的供电电路。同时在线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:η=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。

  ·开关式电源

  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: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;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;静态损耗,主要与IC内部的漏电流有关。


开关电源内部结构

  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,调节占空比。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)。

  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6.2μH。今后TI还会推出开关频率更高的产品。

  ·电容式开关电源

  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围电路设计,EMI和纹波的特性居中,但是有输出电压和输出电流的限制。

  二、提高电能的使用效率

  在手机中,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。


手持设备电源系统一般结构

  ·信号处理系统

  信号处理系统主要是信号处理器是手机的核心部分,它如同人的心脏,会一直工作,因此它也是一个主要的手机电能消耗源。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。

  方法1: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,手机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。

  方法2: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。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。

  TI的DVS(动态电压调整)技术有效地将处理器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,同时调节自身的频率。 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节,非常适合为OMAP和类似的处理器供电。

  ·音频功率放大部分

  音频功率放大器是手机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手机可达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%。

  目前为了使设计者更方便地进行电源管理,一些厂商开发了电源管理的软件用于嵌入式操作系统。运用这类操作系统,可以有效地降低软件编制中的工作量,同时优化系统的电源管理。

  电源管理对手持设备日趋重要。一个高效的系统是要将电源管理的观念贯穿于设计的每一个环节,并且平衡系统多方面因素设计完成的。随着半导体技术和电路设计技术的发展,会有越来越多的节能技术涌现,为手持产品的不断发展助力。

关键字:手机  电源管理 编辑:探路者 引用地址:手机电源管理技术探秘

上一篇:手机电源管理技术探秘
下一篇:Diodes推出具有全面可调输出压摆率的负载开关

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:50

华为终端余承东:只有少数手机厂商能活下来
华为(微博)终端在国内不是没有竞争对手,而是根本就没有在国内真正出手,现在我们开始出手!不过,面向消费者的手机操盘,我们还缺乏经验,渠道和品牌还需要极大的改进。即使我们能做出最好的产品,如果没有好的渠道和品牌能力,无法做到大规模盈利。所以我们需要一个成长过程,需要一点时间。我相信华为终端一定能成长起来,而且一旦成长起来,一定是世界级的品牌!不管这个行业多么艰难,我相信我们是少数能够活下来的厂家之一,只要能活下来,就有灿烂的明天。   只有少数手机厂商能活下来   在手机这个行业中,只有少数厂家能活下来,我想华为会在里面,因为华为有自己的优势。我们有20多年通讯技术的积累,我们有国际化、全球化的视野,我们有开放思维
[手机便携]
多媒体智能手机电源管理设计
     手机功能整合愈来愈多,然电池容量的增长,却始终未能跟上功能变化脚步,如何在有限容量下,提高手机的使用时间,良好的电源管理与提升工艺技术,都是减少手机功耗的有效作法。   传统只用来应付通讯功能的手机,已无法满足消费者的应用需求,MP3功能手机成为必要配备,而多种多媒体功能设计,都成为3G手机时代下,业者标榜功能诉求。   具照相摄影功能的手机,需要有复杂的相机引擎与高亮度闪光灯;而随着无线通讯频宽增加,应用高速处理器,可提供执行Bluetooth无线传输、卫星定位、手机上网、数字电视、语音讯号编/译码…等音视讯处理能力。   然功能要求愈来愈多的结果,手机电池的负荷势必更为沉重,手机内部用电设计,也变得更为繁
[电源管理]
多媒体智能<font color='red'>手机</font>的<font color='red'>电源管理</font>设计
2011年智能手机市场回顾
除了 Apple 苹果、SAMSUNG 三星、HTC 宏达电、MOTO 摩托罗拉等较早投入智能型手机市场的品牌之外,包括 Sony Ericsson 索尼爱立信、LG 乐金等过去专注于功能型手机(Feature Phone)的品牌也从 2010 年下半季开始急起直追,新进入者的加入让 2011 年的智能型手机市场热闹非凡。2011 年前半年智能型手机市场整体来看继续维持了 2010 年的成长动力,但下半年却出现了明显改变、各品牌的势力消长发生了重大变化。在过去的 12 个月之中,全球智能型手机市场发生了什么重大事件? 请看手机王网站的分析。 ▲2011 年前半年智能型手机市场整体来看继续维持了 2010 年的成长动力,但下半年
[手机便携]
联发科风光不再 黯然退出高端手机芯片市场
  在手机处理器市场当中, 联发科 一直以来都是一家具有竞争力的公司。伴随着一些国产手机厂商近年来不断崛起, 联发科 的市场份额也一直在不断地扩大,甚至一度成为安卓手机市场第二大手机 芯片 厂商。下面就随手机便携小编一起来了解一下相关内容吧。  联发科风光不再 黯然退出高端手机芯片市场   回顾往昔, 联发科 曾高调地发布全新品牌Helio系列 芯片 ,面向中高端市场,并将品牌细分为P系列和X系列。此番用意,自然是寄希望于Helio系列 芯片 能够摆脱企业一贯以来“低端廉价”的形象,重塑企业荣光。但从现在来看,联发科已经难以在中高端市场上有所作为了。   随着联发科高端芯片X30的产量有限,以及其计划采用10nm工艺生产的
[手机便携]
手机市场销售旺季带动,韦尔股份三季度营收略有上涨
集微网消息(文/邓文标)今年以来,韦尔股份持续保持和扩大TVS、MOSFET、电源IC、卫星直播芯片以及射频元器件等产品的研发投入,子公司上海矽久主力研发阶段宽带载波芯片、L-BAND芯片及CDR芯片,其中宽带载波芯片按预期即将完成研发及工程流片测试工作。 10月23日,韦尔股份于发布了公司2017年三季报,今年前三季度韦尔股份完成营收16.18亿,相比于去年同期的16.13亿略有上升。实现净利润约1亿元,相比于去年同期的1.06亿元略有下滑。 今年上半年,韦尔股份实现营业总收入9.15亿元,较2016年同比下降12.46%;公司归属于上市公司股东净利润为5881.01万元,比2016年同期减少14.85%。 对此,韦尔股份曾解释
[手机便携]
惠普CEO称明年没有推出智能手机计划
    10月5日消息,据国外媒体报道,惠普首席执行官梅格·惠特曼(Meg Whitman)周三明确表示公司在2013年没有任何推出智能手机的计划。此前惠特曼曾声称惠普最终将推出一款智能手机,以避免错过“这个巨大的细分市场”。 据悉,惠特曼曾在上个月接受Fox Business Network采访时表示,惠普需要推出一款智能手机。因为在许多国家和地区手机已经成为人们最主要的计算设备。“我们正在做这项工作”,彼时她声称。 当本周三在公司分析师会议上被问及此事时,惠特曼坦言她此前的言论确实引起“轩然大波”。但她同时明确指出,“我们没有在明年推出智能手机的计划。但是我们已经开始考虑什么是我们的独特之处,以及如何抓住这个个人计算市场的细分因
[手机便携]
CNN:Facebook需推出应用商店而非手机
    导语:美国CNN网站上周发表署名克里斯蒂娜·沃伦(Christina Warren)的文章称,虽然Facebook手机的消息最初传出时很符合当时的市场环境,但随着行业的发展,这一理念现在似乎已经无法发挥当初的预期,也就难以再有作为。反倒是效仿亚马逊的做法,推出自己的Android应用商店,更加符合Facebook的整体定位。 以下为文章全文: Facebook将于周四举行与Android有关的新闻发布会,这一消息已经在网上炸开了锅。这是否与传说中的Facebook手机有关? 虽然现在还无法确定,但最近18个月来,有关Facebook手机——由HTC生产,搭载Facebook定制版Android系统——的消息早已甚嚣尘上。与此
[手机便携]
单片机控制GSM手机的技术及应用
随着科技的飞速发展和人民生活水平的不断提高,手机的普及率越来越高,更新也越来越快,价格也越来越便宜。因为手机工作的无线网络覆盖范围广,在信息传递方面性能稳定、可靠,所以把手机作为信息传递的载体,与单片机结合起来构成应用系统有着强大的生命力和广阔的应用空间,特别是在远程数据传输、远程监控等领域更是受到电子设计应用工程师的关注。一些专业刊物也介绍了一些有关这方面的文章,然而由于手机的控制指令复杂,数据格式繁琐,工程技术人员在进行单片机与手机的硬软件接口设计时经常会遇到很多困难,有时还无资料可查。笔者在完成一个项目的开发过程中,针对几种手机进行了大量的测试和实验,在此基础上归纳出一些带规律性的结论,对此结论,工程设计人员可拿来即用,大大
[单片机]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved