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便携式电子产品分类及注意事项》》深圳茂捷mojay半导体
发表于:2019-02-15

我们现在对电池都很熟悉,在大量产品和应用中,电池几乎无处不在。常见例子包括手机和笔记本电脑。

不过,在闪光灯、无绳工具、MP3 播放器、便携式视频游戏机、手持式万用表以及科学仪器和快速增长的医疗保健设备中,电池也是很常见的。

因此,2011 年便携式电池供电产品的全球市场估计值为 4800 亿美元、预计 2016 年将超过 6110 亿美元也就不足为奇了 [数据来源:BCC Research]。此外,这个市场预计会一直持续增长到 2020 年。

这一市场可以粗略地分成以下几类:

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  • 约 29% 为通信产品

  • 约 29% 为电脑相关产品

  • 约 19% 为医疗保健产品

  • 约 23% 为相机、玩具、娱乐、钟表、照明、导航和军用产品

这种多样性是因产品本身、产品使用的电池以及电池充电器和为电池充电的电源管理系统之间独特的协同增效作用导致的。

典型锂离子电池的放电曲线从满充电时的 4.2V 变化到彻底放电时的 2.7V。尽管这样的曲线是智能手机和 MP3 播放器的良好选择,但是也许不适合便携式科学仪器、电动工具和医疗保健设备。在后面几种情况下,也许需要多节电池来提供必要的运行时间以适合实际使用。这意味着,将必须使用两节到 4 节电池,或者串联或者并联,或者串并联组合。结果,这类电池配置的电压范围可能从 16.8V 变化到 10.8V (4 节锂离子电池串联),或从 8.4V 变化到 5.4V (两节锂离子电池串联)。 高功率密度已经成为对 DC/DC 转换器的主要要求,因为这类转换器必须跟上电子产品不断增长的功能密度。类似地,功耗也是今天功能丰富、组件紧密排列的设备考虑的主要问题,这推进了对高效率解决方案的需求,因为高效率解决方案可以最大限度减少温度上升。就输入电压源可以高于或低于稳定输出电压的应用而言,找到高效率紧凑型解决方案可能是个挑战,尤其在功率水平不断上升时。诸如使用双电感器 SEPIC 转换器等常规设计方法效率相对较低,解决方案尺寸相对较大。 显然,电源设计师的工作并不轻松。当输入可能高于、低于甚至等于输出时,需要优化 SEPIC 转换器等笨重的解决方案以产生固定输出电压,拥有能够降低优化相关风险的解决方案是很有好处的。优化和集成功率 MOSFET 以构成紧凑、高效率的解决方案,就可以简化设计任务。幸运的是,凌力尔特刚好提供了一些新的转换器解决方案,实现了上述的优化和集成。

就设计多种电池供电的便携式产品以满足对通信、医疗和电脑相关产品不断增长的需求而言,已经呈现出巨大的机会。在选择合适的电源转换解决方案以满足关键设计目标方面,系统设计师面临一些艰难的挑战,这些设计目标包括在不损害效率、运行时间和解决方案尺寸的情况下,符合输入至输出电压涵盖限制、提供合适的功率水平和易设计性。

设计一个满足系统目标又不影响性能的解决方案可能是个艰巨的任务。幸运的是,凌力尔特提供了越来越多的降压-升压型转换器解决方案,这些解决方案由于能够跨很宽的负载范围高效率运行,所以可简化设计,提供同类最佳功能,并能够伴随着电池充电周期最大限度延长运行时间。

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低压大电流电源的设计难点                                                                                                               其实高压低压,并不是这两类问题的主要分界点。我真正想说的主要区别是,现在传统的功能电路,也就是我们设计的CPU,DSP,大规模的FPGA,Core电流经常就有几十安培,IO电源的电流也变得越来越大。电源设计的趋势如下图所示: 这时候的大电流,已经不可能使用厚铜板了,因为毕竟板上还有大量的信号线,线宽只有几mil。而铜皮的面积,有时候限于“层”资源以及大量的密集过孔,有限的铜皮面积也很难无限加大。 如下图的设计,密集的过孔,有限的板子面积以及层数,我们如何应对大电流设计的挑战呢?我们如何计算必须的载流通道(包括铜皮宽度及过孔数量)呢? 而低电压,也会带来另外设计难点。如上一篇文章说的,电流越大,一般来说对应的△I也就可能越大,一定的电感下,感应出的△V也就越大。而较低的电压,本身设计的裕量就小,设计的难度就变得更大。 如下图所示,DC和AC的问题,一起构成了电源设计的问题。 一个电源,要满足5%的设计裕量,是必须AC和DC一起考虑的。

现在在便携式DVD系统中主要包含以下4个部分:TFT液晶显示屏、主板、机芯和电池,除主板以外的另外3个部件可以通过比较来选择使用具有更低功耗的品牌部件;但是主板只能通过具体的设计来降低功耗,主板共以下4个模块:主芯片及其外围电路、电源管理部分(包括TFT的电源管理部分)、音视频部分和机芯马达驱动部分,这其中主芯片及外围电路模块和机芯马达驱动模块在低功耗设计方面通过比较选择具有更低功耗的器件就可以,所以电源管理部分和音频功放部分的低功耗设计最为关键和重要,当然产品里面的系统软件对降低整机的功耗也起着重要的作用。下面我先从电源管理部分及音频部分来进行设计优化的阐述和分析。

  首先,对电源管理部分,这需要把外部电压转换为系统各芯片所需工作电压的电压转换器件来实现。但是电源的转换效率不可能达到100%,在转换过程中必定存在功率损耗,那我们的任务就是通过具体的设计分析来选择电压转换效率比较高的器件来尽量的减少功率的损耗。

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  我们可以采用低压差线性稳压器(LDO),电荷泵和基于电感的DC/DC转换器将外来电压转换成系统所需的不同工作电压。低压差线性稳压器 (LDO)只能将输入电压转换为更低的输出电压。在实际应用中,其功耗为P = (Vin - VOUT) * IOUT。当输入与输出电压相差较大,且输出电流也大的情况下,LDO本身消耗的功率就非常大,并产生相应的热量。所以说LDO的效率在压差较大输出电流 较大的时候效率是比较低的,LDO特别适合于低电流,压差较小,或对电源噪声要求较高的场合;电荷泵采用电容来实现能量转换,可实现反压、倍压和稳压等变 换,效率为80%左右。受电容容量及尺寸限制,电荷泵输出电流和电压都有限。DC/DC转换器采用低阻抗的开关(如MOSFET)以及电感等储能元件,实 现降压和升压等转换。DC/DC转换器减小了电压变换过程中的功率损耗,效率高达90%以上。同时开关频率很高,减小了外部电感和电容的尺寸。