優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備電池續(xù)航時(shí)間

Charies Limonard

摘要：電池續(xù)航時(shí)間是移動(dòng)計(jì)算市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，這涉及兩個(gè)方面：一是每次充電后系統(tǒng)能支持多長(zhǎng)使用時(shí)間，二是系統(tǒng)在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的每個(gè)充電周期都能提供一致的使用能力。通過(guò)結(jié)合使用2S電池組和由DA9312所支持的高集成度電壓轉(zhuǎn)換策略，與現(xiàn)有分立解決方案相比，不僅有可能使PCB面積減半，還有可能使元件數(shù)量和PCB高度減半。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)設(shè)備；電池續(xù)航；充電

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.019

移動(dòng)計(jì)算市場(chǎng)發(fā)展非常迅速，各生產(chǎn)商為爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額紛紛展開激烈競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)的其中一項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)是電池續(xù)航時(shí)間，這涉及兩個(gè)方面：一是每次充電后系統(tǒng)能支持多長(zhǎng)使用時(shí)間，二是系統(tǒng)在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的每個(gè)充電周期都能提供一致的使用能力（圖1）。

移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部計(jì)算元器件如今被廣泛采用在從可穿戴設(shè)備到筆記本電腦等眾多應(yīng)用中（圖2），但電池容量與元器件的發(fā)展速度并不相同，因此生產(chǎn)商都在探索各種方法對(duì)電池進(jìn)行配置，以便盡可能從現(xiàn)有的電池技術(shù)中獲得更多電量。電池配置和系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，為生產(chǎn)商提供更大功率效率、進(jìn)而提供更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間提供了一條康莊大道。

目前的一個(gè)主要問(wèn)題是現(xiàn)在的處理器和系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）芯片在低電壓條件下的高功率需要，這會(huì)導(dǎo)致高峰值電流需求。需要最大電流的時(shí)間可能很短，但其對(duì)系統(tǒng)一次充電能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間和總使用壽命有很大的影響。

今天的SoC迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在他們的電池解決方案中選擇高電流放電率。提高SoC能效的需要促使他們降低內(nèi)核電壓——現(xiàn)已大幅降至PV以下。通常，當(dāng)輸入與輸出電壓比處于低水平時(shí)，向這些器件供電的降壓轉(zhuǎn)換器具有更高的工作效率，這使得看上去低壓電池配置可提供更低的功率損耗，從而幫助確保系統(tǒng)一次充電運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。但使用低供電電壓會(huì)導(dǎo)致電池組提供更大電流。

高放電速度下的反復(fù)電量損耗會(huì)顯著降低電池的有效容量。為此，電池生產(chǎn)商都針對(duì)其產(chǎn)品在規(guī)定循環(huán)壽命下的最大放電速度給出了建議。

在2A平均放電電流下，電池在500個(gè)充放電循環(huán)后，還能充滿其額定容量的95%以上。在20A平均放電電流下，該有效容量會(huì)降到僅70%，從而限制電池的使用壽命。在舊式設(shè)計(jì)中，電池常?？梢愿鼡Q。但生產(chǎn)商由于希望向用戶提供更長(zhǎng)的一次充電可運(yùn)行時(shí)間，越來(lái)越傾向于使用不容易更換的嵌入式電池。

嵌入式電池方案為生產(chǎn)商提供了更多途徑來(lái)增加其產(chǎn)品的額外電池容量。一些可翻轉(zhuǎn)式平板電腦設(shè)計(jì)將電池嵌入平板電腦和鍵盤模塊的多個(gè)位置，以提供比使用單個(gè)可拆卸電池組更高的總?cè)萘俊Ｒ虼?，嵌入式電池解決方案在可使用周期內(nèi)的容量變得日益重要。

電池單元的布置方式可決定輸出電壓和峰值電流額定值，因而電池配置常常以電池單元的布置方式來(lái)表示。電池單元可能采用并聯(lián)（p）布線，這時(shí)的總峰值電流輸出等于一個(gè)單元的輸出乘以并聯(lián)布線中的單元數(shù)量。2P配置能夠有效地使電流加倍。相反，在采用串聯(lián)（s）布線中，輸出電壓將會(huì)增加，2S配置可使輸出電壓加倍。有些系統(tǒng)（特別是筆記本電腦）使用混合布線，如3S2P配置。較小的系統(tǒng)常常使用1S、2S或35布線。

對(duì)許多設(shè)計(jì)而言，針對(duì)鋰聚合物電池的2s配置可支持生產(chǎn)商想要的封裝選項(xiàng)，以及對(duì)越來(lái)越多的便攜式系統(tǒng)的電壓兼容性，從高端智能手機(jī)到平板手機(jī)和可翻轉(zhuǎn)式平板電腦，再到筆記本電腦。對(duì)于筆記本電腦，比舊式3S和4S更低的電壓可與今天的內(nèi)核電壓進(jìn)行更好的兼容，而且不會(huì)導(dǎo)致電池組放電率過(guò)高的問(wèn)題。對(duì)于較大的智能手機(jī)設(shè)計(jì)，該電壓水平有助于確保峰值電流消耗維持在不影響長(zhǎng)期電池容量范圍之內(nèi)，并適合當(dāng)前的輕薄外形設(shè)計(jì)。

盡管智能手機(jī)設(shè)計(jì)中的較高電壓可能看似不符合生產(chǎn)商對(duì)更長(zhǎng)電池壽命的要求，但通過(guò)改變供電策略可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。雖然降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)在輸入和輸出電壓之比增加時(shí)在效率上受到影響，但增加預(yù)穩(wěn)壓步驟可使降壓電路中的損耗保持較低水平，還可提供與2s解決方案的較高電壓的兼容性。

解決方法是采用固定比率電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)——把2S電池組名義上的7.2V電壓對(duì)半減至3.6V，而3.6V則完全在現(xiàn)有降壓轉(zhuǎn)換器的高效轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。除了支持高效轉(zhuǎn)換策略，使用此類電源轉(zhuǎn)換器還意味著，針對(duì)1S配置的降壓轉(zhuǎn)換器能夠輕松地被再次用于圍繞2S電池組而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而縮短新品上市時(shí)間。

例如，Dialog的DA9312（圖3）中的電源轉(zhuǎn)換器，從非常低的電流到最大電流10A均能提供平穩(wěn)的效率曲線。與現(xiàn)有降壓轉(zhuǎn)換器一起使用時(shí)，附加的電壓轉(zhuǎn)換只會(huì)帶來(lái)些許額外損耗，這完全可以通過(guò)使用一個(gè)2S電池組運(yùn)行大量低壓降壓轉(zhuǎn)換器而帶來(lái)的壽命優(yōu)勢(shì)得到彌補(bǔ)。

2S電池組的輸出電壓可直接與為外設(shè)（如USB和其他接口）供電的降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，這些外設(shè)需要的電壓高于內(nèi)核邏輯使用的電壓，以便兼容外圍電路。DA9312這類器件利用了2S配置的這個(gè)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)集成兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器并配上它們的功率FET。

為支持這些較高電壓接口上的高峰值容量，兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器可采用雙相策略作為一對(duì)轉(zhuǎn)換器來(lái)運(yùn)行。在電源轉(zhuǎn)換器向外部?jī)?nèi)核邏輯降壓轉(zhuǎn)換器或系統(tǒng)PMIC提供10A電流以外，雙相拓?fù)湓试S再額外提供最大10A的峰值電流。

因?yàn)榭蓪⒍鄠€(gè)電壓轉(zhuǎn)換器的功能集成在一個(gè)封裝之中，從而得到一種更小的整體電源管理解決方案。在目前的設(shè)計(jì)中，PCB板的面積一大部分專用于電源管理。在有些最新設(shè)計(jì)中可達(dá)到PCB面積的40%，這在很大程度上是由于SoC器件集成度的不斷提高。通過(guò)使用超高集成度的SoC來(lái)為電池提供更多電路板空間，PCB本身也在逐漸縮小.那么遵循相同的SoC趨勢(shì)，電源管理電路本身也可以縮小，并為增加電池容量提供更多機(jī)會(huì)。

DA93P2使用的電壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞牧硪粌?yōu)勢(shì)是，無(wú)需外部電感，只需電容就可以運(yùn)行。這不僅可以節(jié)省電路板空間，還提高了系統(tǒng)生產(chǎn)商提供超薄產(chǎn)品的能力。由于需要線圈，電感難以制作成較薄外形。但是電容的尺寸和形狀具有較大的靈活性。使用高開關(guān)頻率，例如兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器使用的1.5MHz，外部無(wú)源器件可以進(jìn)一步縮小，以節(jié)省PCB空間。芯片級(jí)封裝的使用旨在支持緊湊的布線，同時(shí)幫助減少占用PCB面積。

通過(guò)結(jié)合使用2S電池組和由DA9312所支持的高集成度電壓轉(zhuǎn)換策略，與現(xiàn)有分立解決方案相比，不僅有可能使PCB面積減半，還有可能使元件數(shù)量和PCB高度減半。此方法證明了將生命周期電源效率納入考慮，并將電源管理芯片與電池架構(gòu)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的好處。