便携式电子产品电源的低功耗设计和管理

摘要：本文以便携电子产品的低功耗为主旨，分别从高能密度电池的合理使用和智能电源动态管理等方面，论述了省电的各种原则和方法，可供有关工程师在研发产品时参考。

关键词：低功耗；电池；设计；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

手机、多媒体播放器（PMP）、数码相机、便携式视频游戏机、个人导航系统等等都深受消费者喜爱，为人们提供了方便和享受。但是，它们也遇到一个基本问题：它们的功能越来越丰富，外形日益精巧，而供电电池能量密度的提高速度却跟不上这些产品对功耗的要求。人们总是希望电池一次充电后能够提供较长的工作时间，所以开源节流就是解决这一问题的途径。本文从"节流"的角度出发讨论供电电池的使用和电源管理的有关问题，以达到省电的目的。

1.充电高能量密度的供电电池

便携式（手持式）多媒体产品的显著特点是轻、小，便于携带，功能越来越丰富。因此，大多采用可充电电池供电（少量产品采用一次性碱性电池供电），因此，高能量密度的电池不仅能为便携式产品提供更长的供电时间，也成为影响产品价格的重要因素之一。

当前用于便携产品的供电电池有三类：

（1）碱性电池：具有极低的自放电率，低的成本，是不可充电的电池，常用于低功耗的廉价产品，如遥控器、电动玩具等。

（2）镍氢电池和镍镉电池：是可充电电池，具有较高的自放电率，其能量密度低于锂离子电池，但其内阻低，价格较低，对保护电路要求不高，并且可以直接替代碱性电池，适合用于对成本较敏感及需要大负荷电流的产品，它们是最早用于移动手机和数码相机的电池。

（3）锂离子电池、锂聚合物电池：它具有高能量密度，自放电率极低，没有镍镉电池所具有的记忆效应，被广泛用于手机、数码相机、笔记本电脑、轻便电动车等产品，但目前其价格较高。

锂离子电池组在使用中，必须具有较完善的安全保护机制，防止电池过充电深度放电，或反向连接。由于锂元素非常活跃，在高温环境下或者与金属物接触，有潜在的爆炸危险，故锂电池不可暴露于高温环境。

由图一中曲线可知，电池容量与电池温度有关。图中曲线①显示锂电池在不同温度下恒流恒压充电的过程，曲线表明，在t=70℃～80℃时，比t=-20℃时电池可多充电20%的电量。曲线②表示电池以1.0C放电率放电到截止点2.5V时电池的剩余电量。曲线①和曲线②之间差值为电池负载所能获得的电量。曲线表示电池以0.2C放电率放电到2.5V时电池的剩余电量。曲线①和曲线③之间差值为电池负载所能获得的电量。

锂电池充放电特性表明，在低温或大电流放电时，电池的剩余电量较多，可有效利用的电量大幅减少。在实际选用电池时应充分注意锂电池的这种特性（图二为典型的锂离子电池放电特性）。

此外，电池容量与电池的充放电次数有关。测试与实用表明，电池容量随电池充放电次数的增加而减少，所以，定义一块电池在其充满电量降至初始容量的80%之前其充放电次数，称为电池寿命。典型锂电池寿命为300次-500次充放电次数，一般充电一小时电量可充到70%～80%，完全充满电量约需2.5小时以上。

锂电池寿命还受时间的影响，即电池出厂之后，不论是否使用（如在库房中储存），电池电量即开始逐渐下降，电量减少的快慢与环境温度有关。例如，在25℃储存时，一块完全充满电量的电池每年电量下降20%，而若在40℃时储存，则每年电量下降达35%。

然而，实际情况表明，没有完全充满电量的电池，其老化过程则较为缓慢。例如，在25℃时，残余有40%电量的电池，每年的电量下降只有约4%。所以，对于暂时不用或库存的电池，储存温度不宜过高，且不宜把电量充满。

在使用镍氢电池或镍镉电池时，应注意镍氢电池和镍镉电池具有记忆效应，故应在电池电量完全放完后，再进行充电，否则，电池的记忆效应将会使电池的有效可用电量越来越少。

2.智能动态电源管理设计

便携式电子产品通常小而轻，因此对电源部分往往要求苛刻，要求在保证产品特性和功能的前提下，供电电池要能提供更高的能量密度和更长的运行时间。同时，能为IC芯片提供不同的工作电压。

便携式电子产品的电源管理主要包括三个方面：

电池管理：即含有电池充电安全保护、剩余电量测量及提示；

功率转换：利用电源的单一电压供电为各种负载提供适当的电压和电流；

负载管理：根据各类负载工作模式，按供电程序和供电方式，提供功率。

具体讨论如下：

（1）电池管理

对电池的管理主要是针对可充电电池的剩余电量测量，充电过程监管及安全保护措施。

电池剩余电量的测量是电池管理的首要任务。以往的电池电量计量大多采用电位检测法，而锂电池的放电特性表明，在很大范围内，电池电压几乎与电池剩余电量没有关系。因此，电压监测电量精度低于25%。

目前，有三种类型的专用IC可以提供对电池的监测功能，包括电池电量、温度、电压、充电次数、使用时间等参数，它们分别是库伦计、电量计及可编程电量计，它们在工作模式仅消耗电量数10A，休眠模式消耗1A。

充电管理和安全保护也是电池管理的另一项重要任务。充电管理就是要自动检测、判断电池的有效性，对充电过程进行自动检测判断，自适应地采用线性充电、脉冲充电、浮充电或恒压、恒流充电方式，同时对电池温度、充电时间、电池电压等参数进行监测，防止电池过充电、深度放电、或反向连接等，确保电池安全。

由于锂电池与镍氢、镍铬电池性质不同，故采用的充电方式和保护监测措施也不相同，在设计中应注意。

（2）功率转换管理

采用电池供电的电子产品受到体积、重量的限制，一般采用只提供某一个固定电压的电池组。而电子产品往往含有DSP芯片、ASP芯片、存储器、微控制器及I/O设备等，它们所需要的工作电压/电流大多不相同，或者为节省功耗，还需要动态选择不同的内核电压，因此，要对单一供给的电池电压进行各种功率转换，以满足各种负载的要求。

当前能提供功率转换功能的IC芯片基本上采用三种功率转换技术，构成三种功率转换器：

ⅰ.低压降稳压器：这是一种传统的线性稳压器，通常用于模拟信号处理器芯片（因为它要求确保信号的完整性，在处理信号过程中不能有明显的损伤）。因此，常采用这种线性稳压器，并要求电流具有低的输出噪声，较高的电流纹波抑制比。利用它为射频功放供电（如移动电话的功放），由于此时功放为线性工作状态，基本上是固定负载阻抗，降低供电电压非常有助于节省功耗，约比高电压供电节省80%以上的功率。

另外，低压降功率转换还常为LEO驱动器、液晶显示屏小键盘背光、音频功放提供电源。

ⅱ.电感式同步降压转换器：这种功率转换器主要优点是无论输出/输入电压比有多大，都能以极高的效率输出稳定的电压。其缺点是因采用电感器，体积较大。若电感量小，则电流纹波较大，会在一定程度上影响IC的工作性能。

DSP、存储器及数字I/O等在运行期间要耗用较多的功率，而新开发的IC器件其趋势是采用较低的工作电压，甚至低于1V，以便节省功率，其中有的芯片要长时间处于运行状态。这种负载特点特别适用电感式功率转换器。

当然，若便携式电子产品在体积方面要求严格，此种功率转换器的采用会受到限制。

ⅲ.开关电容器转换器：这种转换器无需电感器，可缩小印制板体积，有助于降低产品成本，其功率转换效率高于低压降功率转换器，所以在对电源效率要求不是十分苛刻的情况下，这种功率转换器是一种较为理想的选择。

（3）负载管理

电源的负载管理就是根据电子产品中所采用的各类器件或功能模块，如射频功放、音频放大、A/D变换、DSP、ASP、MCU、存储器、I/O、LED、背光及指示灯、充电器等，对工作电压的要求及根据其工作模式所设定的供电程序，由专用电源管理IC器件进行管理，为各类负载按工作程序提供合适的电压和电流，以确保产品性能和能源使用效率。

因为便携式电子产品的功能和用途差别很大，故在设计电源系统和管理方案时，应根据具体产品的要求，以高效实用为原则，切忌片面性。

综上所述，从便携式电子产品的低功耗设计为出发点，从供电电源使用及管理、印制板设计布设等方面，介绍了低功耗系统设计的方法及基本原则供有关人员参考。限于篇幅有限问题未能深入讨论，有不当之处敬请读者指正。

参考文献：

[1]Razak Mohammedali Ali.“Stratix 可编程功耗优化技术” .《电子设计技术》.2007.3 88-97.

[2]Rainhardt Wagner .“电池电量计以精度制胜”. 《EDN Power Technology》.2007.3 9-10.

[3]钟建鹏.“便携式系统理想的电源管理方案” .《EDN Power Technology》.2005.5 11-13.

作者简介：程宇林（1970-）女，安徽宿州人，研究方向：应用电子。