精品文檔-下載后可編輯一種便攜電子設(shè)備的高效電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，通信產(chǎn)業(yè)能源消耗與日俱增，通信業(yè)已站在了節(jié)能減排的風(fēng)口浪尖，新建基站如果采用高效率電源系統(tǒng)取代目前效率僅為90%的電源系統(tǒng)，可極大降低運(yùn)營商們的運(yùn)營成本。本文著重就通信用高效模塊的節(jié)能效果進(jìn)行探討。

電源管理單元

為電源電路規(guī)定具體的功能和架構(gòu)模塊并非微不足道，這些工作直接影響到電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。電源系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)因嵌入式產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而各異。下圖是典型便攜嵌入式系統(tǒng)中的電源方案。

下面我們分別定義圖中每個(gè)組成部分的要求。假設(shè)該產(chǎn)品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是當(dāng)有多個(gè)電源時(shí)，負(fù)責(zé)切換至合適的電源。在某些設(shè)計(jì)中可能需要考慮包括新興的USB和以太網(wǎng)供電（PoE）等供電方式。

電池保護(hù)電路保護(hù)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(yīng)在一旦有其它供電的情況就對(duì)電池進(jìn)行充電；電量計(jì)電路連續(xù)監(jiān)測(cè)電池電量狀況，并為用戶和電源管理軟件提供電池狀態(tài)信息。

系統(tǒng)可能需要多個(gè)DS-DC功率變換器。例如開關(guān)電源（SMPS）、LDO穩(wěn)壓器、電荷泵等。這些不同的變換器用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

高效DC/DC轉(zhuǎn)換器是所有便攜式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。許多便攜式電子應(yīng)用被設(shè)計(jì)成采用單節(jié)AA或AAA電池工作，這給電源設(shè)計(jì)工程師提出了挑戰(zhàn)。從850mV~1.5V的輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)恒定的3.3V系統(tǒng)輸出，要求同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠在固定開關(guān)頻率下工作，同時(shí)附帶片上補(bǔ)償電路，并且需要微型低高度電感和陶瓷電容，采用微型IC封裝以減少它在設(shè)備設(shè)計(jì)中的總占位面積

高效電源的標(biāo)準(zhǔn)

在嵌入式應(yīng)用中，電源效率并不限于傳統(tǒng)的系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)輸入功率之比這樣一個(gè)定義。在嵌入式系統(tǒng)，高效電源方案應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1.采用電池供電時(shí)，設(shè)備可長時(shí)間工作；2.延長電池壽命（充放電次數(shù)）；3.限制元器件和電池本身的溫升；4.提供集成軟件智能，以使效率化。

事實(shí)上，沒有單一的指導(dǎo)方針可以化電源方案的效率。不過，設(shè)計(jì)人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮以下幾點(diǎn)：電池壽命（充放電次數(shù)）取決于電池的充電特性；對(duì)鋰離子電池來說，制造商通常建議遵循充電電流（恒流模式）和終止/預(yù)充電電流值。當(dāng)設(shè)計(jì)充電器電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)范。

這個(gè)電路設(shè)計(jì)集成了帶額定電阻值為0.35Ω（N）且典型電阻值為0.45Ω（P）的低柵電極電壓內(nèi)部開關(guān)的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，開關(guān)電流限制一般為850mA,從而在新的堿性AA單節(jié)電池輸入和兩節(jié)電池輸入時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)0.66W和2.5W的輸出功率。

電流模式控制提供出色的輸入線路和輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。斜坡補(bǔ)償（這是當(dāng)占空比超過50%時(shí)用來防止分頻諧波不穩(wěn)定性所必需的）可以整合到轉(zhuǎn)換器中，與電路一起保持恒流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。

電池管理

對(duì)于電源路徑控制器，一個(gè)經(jīng)常被忽略的問題是：當(dāng)從一個(gè)電源切換到另一個(gè)時(shí)，無論時(shí)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(guān)。同樣，當(dāng)采用其中一個(gè)電源供電時(shí)，該電源的電壓不應(yīng)通到另一個(gè)電源的輸入端。

由于存在很多可用的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(chǎng)合，必須避免使用線性穩(wěn)壓器。

在采用開關(guān)電源的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保采用適當(dāng)?shù)耐負(fù)洌ń祲骸⑸龎?、降?升壓，電荷泵，SEPIC等），以保證即使在電池電壓下降到工作值的情況下，電源也能維持期望的輸出電壓，這有助于延長設(shè)備的工作時(shí)間。

對(duì)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(gòu)選擇在很大程度上取決于該變換器工作狀態(tài)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(bǔ)所增加的成本。

用于濾除開關(guān)電源輸出紋波的電感種類的不同通常會(huì)對(duì)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。

熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)須夷不離。各個(gè)IC或無源器件的封裝必須要能處理其正常工作狀態(tài)下的發(fā)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(chǎn)品通常沒有添加風(fēng)扇的空間，但必須考慮到PCB上的通風(fēng)通道以及足夠的散熱措施。

本文小結(jié)

電源設(shè)計(jì)往往被當(dāng)作純粹的硬件設(shè)計(jì)。但是，為了得到高效的電源方案，設(shè)計(jì)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(cè)由電源路徑開關(guān)選擇的是哪種電源；在電池供電時(shí)，對(duì)不需要的電路減少供電電流。

更精妙的電源管理軟件還會(huì)包括其它參量，例如：系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)用種類、外設(shè)要求、慢時(shí)鐘頻率以及運(yùn)行此應(yīng)用所需的電壓，并據(jù)此相應(yīng)地控制電源輸出、時(shí)鐘發(fā)生器和接口IC的狀態(tài)。

遵循上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可以顯著提高便攜式設(shè)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(dá)85到90%.目前已多家