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通过提高电能转化效率和提高电能使用效率来实现手机电源的管理
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2017-09-13
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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。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。
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。
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。
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。
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