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可攜電子設備的高效電源系統設計策略

上網時間: 2010年03月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源管理  電池管理  嵌入式系統 

對於電池供電的可攜設備而言,除了需要突破處理能力的限制外,可攜式系統電源的性能也需要不斷改進。本文探討可攜嵌入式系統電源設計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可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組,讀者可以為特定設計選擇合適的元件以及設計策略。

電源管理單元

為電源電路規定具體的功能和架構模組並非微不足道,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。下圖是典型可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份的要求。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和乙太網路供電(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,並為用戶和電源管理軟體提供電池狀態資訊。

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於產品設計內所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

數位介面或硬體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,數位介面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,這種微調是必須的。

高效電源的標準

在嵌入式應用中,電源效率並不限於傳統的系統輸出功率與系統輸入功率之比的定義。在嵌入式系統,高效電源方案應滿足以下標準:1. 採用電池供電時,設備可長時間工作;2. 延長電池壽命(充放電次數);3. 限制零組件和電池本身的溫升;4. 提供整合軟體智慧,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)取決於電池的充電特性;對鋰離子電池來說,製造商通常建議遵循最佳充電電流(恆流模式)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格。

電池管理

對於消費性電子產品,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。必須採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元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。大部份電量計安裝於電池上,適用於檢測電池溫度、放電電流等。

對於電源路徑控制器,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迴路。這可能需要額外的反向連接二極體或開關。同樣,當採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。

由於存在很多可用的功率變換器拓樸結構,所以正確選擇電源變換器並非易事。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。

在採用開關電源的場合,設計人員應確保採用適當的拓樸(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,這有助於延長設備的工作時間。

對於降壓變換器而言,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於該變換器工作狀態下所需的輸出電流以及占空比。因此,採用同步變換器所帶來的少許效率提升並不足以彌補所增加的成本。

用於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或被動元件的封裝必須要能處理其正常工作狀態下的發熱問題。許多晶片製造商建議採用帶過孔的熱焊盤,並在PCB上採用大焊盤來更好地散熱。緊密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體設計。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體智慧。軟體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體還會包括其它參量,例如:系統執行的應用種類、最低週邊設備要求、最慢時脈頻率以及執行此應用所需的最低電壓,並據此相應地控制電源輸出、時脈產生器和介面IC的狀態。

遵循上述經驗規則可以顯著提高可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%。目前已多家積體電路製造商可提供一系列高整合度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晶片方案,而另一些則可能採用分離模組。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。

圖:典型可攜嵌入式系統的電源管理方案。
圖:典型可攜嵌入式系統的電源管理方案。

作者:Shantanu P Prabhudesai

Ritesh R Parekh

Pawan Kumar Gupta

Ittiam Systems





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