如何使有限的电池容量最大化，是开发诸如手机、MP3播放器、PDA、数码相机或其他低功耗产品等由电池供电的设备所面临的众多工程挑战之一。这会影响系统架构、产品特性组合、元件选择、软件设计和功率分配架构。除此以外，还有尺寸和外形因素的限制和成本方面的考虑。设计中需要着重注意的领域之一就是如何设计高效、高性价比和非常紧凑的功率转换电路。

尽管所有这些便携式设备均有特定的内部架构，而且可能各自相差甚远，但一些共同的功率转换要求可以用相同的方法实现。比如，大多数设备有一些高度集成、工作范围由1.0 到 1.8V、要求200~500mA电流的低压/低功耗亚微米CMOS DSP或微处理器。大多数便携式设备也有一些低压内存和低功耗音频和/或射频子系统。最后，大多数设备的输入电源是锂离子电池或一组碱性或镍氢电池，或一个低功耗输出范围为2.5到5.0 VDC的交流－直流适配器。因此，很多设备的功率转换要求可以是相似的。  

典型便携式系统电源要求
本文就移动设备中的典型例子来探讨功率转换器的替代方案。首先，考虑一个系统处理器，它在正常工作时要求输出电压为1.8V，并且在高峰处理模式时最多消耗400mA。用于便携式应用的处理器一般有几个不同的工作状态，以便尽可能的节省电池电源。实际上，许多DSP/嵌入式处理器有一系列不同的节电模式 （空闲、睡眠，深度睡眠等）以节省电池容量。因此，如果系统（用户）不需要最大处理能力，DSP会进入消耗电流较少的较低功耗模式。代表性的工作电流负载特性曲线如下图1所示。

图1中，x-轴表示时间。在此例中，处理器的负载可能随设备的工作模式变化很大。比如在“高需量”任务，如文件访问、高速数据传输、JPEG图象处理或繁忙的用户输入中，处理器可能需要消耗最大功率。在其他情况中，如等待用户输入时，耗电量较小。实际移动DSP设备的负载曲线可能随具体应用情况而变化很大，但是所示的例子对于常见的许多种便携式设备来说是典型的。它用于说明设计最优功率转换电路的流程。

在上例中，处理器的高峰负载在1.8V时为400mA。瞬时负载电平随着时间变化，这取决于处理器的能耗需求量，可能是20mA、50mA或200 mA。在长期运行中，平均负载电平大约为121mA， 这是对不同电流电平按它们的典型运行占空比进行加权平均得到的。因此，功率转换电路必须设计成能处理最少400 mA的高峰负载，而且要在20~400 mA 的负载电平范围内提供良好的效率，并且在待机模式中有最小的静态电流（通常小于1mA， 例如处理器进入“深度睡眠”模式时）。

功率转换电路替代方案
一般来说，便携式系统设计师会用三种基本的方法解决功率转换器架构的问题。首先，用一个完全集成的系统电源管理单元 （PMU），如 NCP4115，可能是合适的。这是一个多功能的混合模式芯片，提供多个独立功率转换和功率排序电路，以覆盖系统的全部需要。此器件的框图如图2所示。

这个 64引脚的器件包括一个完整的锂离子电池充电器，一个开关模式直流－直流转换器，七个电压范围从1.5到3.0V的输出电压数字可编程、低噪声LDO，两个用于振动电机和LED指示灯的通用 LDO，及各种其他系统控制和接口模块。

如果系统要求和PMU器件的功能相匹配，这个单芯片电源管理方案工作良好。此例的目标应用是CDMA手机。但是对于不同的应用，NCP4115 可能不是最优的解决方案。可以考虑为特定的应用开发定制的PMU器件，但是由于这种器件的复杂性，目标应用必须有很高的需求，而且生命周期要相对长，才能使开发费用物有所值。

更通用的替代方案是采用一个独立的开关式直流－直流转换器，如图3所示的NCP1510 集成电路。
上面所示的NCP1510 器件是安森美半导体开关模式直流－直流降压转换器NCP15xx 系列的 一员。通过集成以下一些特性，它为便携式应用进行了优化:
· 最小的芯片级封装（1.55 x 1.55mm）；
·内部功率开关；
·内部补偿和反馈电路；
·用于高低功率系统要求的多个运行模式 ；
·最高 2MHz 开关频率；
·1.0、1.3、1.5和1.8V的数控输出电平。
这些特性可以构成一种功率转换解决方案，解决便携式系统的特别需求，如:
·最小的 PCB面积；
·最少的元件数量；
·所有运行模式下的高系统效率；
·小尺寸外部电感和电容；
·和系统控制处理器的简单接口。

最后，系统设计师可以考虑使用传统的低压降（LDO） 线性稳压器，把电池电压转换为适合于DSP 或内存子系统的更低电压电平。这是许多低功耗应用的通用方法，因为它简单、成本低，而且尺寸比以前的开关模式转换器解决方案要小。

以下两部分将考虑使用LDO解决方案和为便携式应用优化的开关模式直流－直流转换器之间的设计取舍问题。在1.8V处理器负载的高峰负载为400mA 的情况下， NCP1510 开关模式解决方案已经针对轻负载和重负载进行优化。以前的PWM 开关模式器件在大负载电流时虽提供优异的效率，但是由于它们的静态电流，在轻负载或待机情况下效率很低；此外，它们需要较多的外部元件，也要求较大的PCB面积。

研究表明，甚至对于低功耗、低成本产品，开关模式解决方案现在仍可能是一个有吸引力的替代方案。但对于极低高峰负载要求低于2V的子系统，使用传统的LDO 方法，如NCP5xx系列，可能仍然是具有吸引力的 。

转换器效率对于电池预计寿命的影响
由于负载电平、用户模式和电池容量随时间的变化和环境条件变化等都具有极大的可变性，精确估计电池寿命是一个复杂的过程，有时甚至不可能完成。但是利用几个简化的假设可以获得其近似值。

比如，锂离子电池电压在正常运行时的变化范围是2.75V到4.2V ，在典型的手持设备中，75~90%时间内它一般在3.5V 和3.8V之间。而开关模式转换器的效率也随着工作电流和电池电压而变化，但于NCP1510器件，在典型的电源（电池电压3.5到 3.8V）和负载（电流从50到250mA）的条件下，对于1.8V的输出电平，其效率如图4所示近似为 90%。

所以用上述假设，我们可以计算出不同负载条件下的电池电流。
Ibattery = (Vout x Iout) / (Vbattery x 效率)
实例见上述的图3。对于 1.8V 电源的120 mA平均负载电流，典型条件下的电池电流为：
Ibattery = (1.8V x 120 mA) / (3.7V x 0.9) = 65 mA
最大负载为1.8V，400mA时，电池电流是：
Ibattery = (1.8 V x 400 mA) / (3.7 V x 0.9) = 216 mA
如果用线性稳压器替代，从电池消耗的电流等于负载电流，在本例中典型值为120mA，400 mA。因此线性稳压器方法的效率低，实际上是由于从电池吸收了两倍的电流，从而导致电池寿命大大降低。

1.8V，400mA 子系统应用比较
用前面图1所示的例子，功率转换器级必须能够提供最大的负载电平。为这种类型的负载设计线性转换器是很容易的， 但是会消耗大量的功率。对于LDO，功耗可以这样计算：
Pd = (Vin - Vout) x Iout
而且输入电流（电池电流）和输出电流相同。对于4.2V的最大电池电压和400 mA的最大负载而言，功耗等于:
Pd = (4.2 V - 1.8 V) x 400mA = 960 mW
总之，出于两个原因，这对于大多数电池驱动的产品是不可接受的。效率很低（最差情况为1.8V / 4.2V = 42%，典型情况为1.8V / 3.7V = 49%）。另外，元件内部有非常高的热量需要大量的PCB空间用于散热，以使产品正常工作。甚至在“典型”而不是“最差”工作条件下，线性稳压器的功耗都超过250mW。  

如果负载是1.8V x 400 mA （720mW），对于效率为90%的开关式直流－直流转换器最差情况下功率损耗约为72 mW量级（输出功率的10%）。损耗的两个主要源是电感和功率开关，硅功耗一般小于50 mW。因此可以使用特别小的IC 封装器件。图5显示了开关模式稳压器和线性稳压器解决方案需要的电路板面积概要。

2.7V， 100mA 子系统应用比较
在这个例子中，考虑一个子系统负载，它需要从锂离子电池输入中产生2.7V的电源 。高峰电流需量是100 mA，而平均电流需量是50 mA。（这种功率电平对于许多低功率音频或射频子系统模块是典型的）。因为模拟电路的Vout 要求更接近于电池的工作电压，所以和低压DSP相比，LDO 中的功率损失更少。

而且因为这个例子中的电压步降（Vin/Vout）比很低，使用开关模式转换器来降低电池电流的优势不明显。但因为锂离子电池可能因供电而降到2.85V （在某些情况下更低），LDO元件的压降规格就变得非常重要。

对于锂离子电池在最大电压4.2V下，最大电流时的稳态功耗为
(4.2V-2.7V) x 100mA = 150 mW
对于典型锂离子电池电压3.7V和50mA的平均负载电流，典型的功耗为
(3.7V-2.7V) x 50mA = 50 mW
在这个应用中，较小的功耗允许使用较小的LDO封装，如SOT23-5。这类封装的热阻在250℃/W的量级上。最差情况下的功耗数量大约发生在器件相对于环境温度的温升为以下情况：
(0.15 W x 250 ℃/W) = 37.5℃
假如最大允许芯片温度是125℃，70℃的环境温度要求对于大多数消费产品是容易达到的。而且对于总电池电流的影响相对小。使用效率90%、典型电池电压为3.7V的开关模式转换器，2.7V，50mA负载上的平均电池电流是：
(2.7V x 50 mA) / (3.7V x 0.9) = 40.5 mA
采用线性稳压器，平均电池电流只是50mA的平均直接负载电流。因此，在电池上节约的负载电流小于10 mA，结果只是稍微缩短了电池寿命。

结论
由于几个原因，便携式设备的功率转换要求变得特别具有挑战性。在某些情况下，传统的低功率LDO方法如NCP5xx 系列，依然可以使用，且不会显著地影响电池寿命。

对于更高的要求，新的集成电路元件，如安森美半导体的NCP15xx系列，能够帮助系统设计师建立一个为便携式应用优化的、紧凑、高效率、低成本的功率转换器。（转自 慧聪电子）