平衡效率和尺寸——便携式设备电源管理面临的挑战

效率和解决方案的尺寸，是与电池供电手持设备的电源管理解决方案密切相关的两大因素。不过，以我的经验来看，它们却很少被手持设备设计人员或者最终用户所关注。有多少次我们听到或者谈论“该电源解决方案的效率为95％”？我承认，我也在很多次拜访客户时使用这句话作为开场白。然而，我们又有多少次思考过“95％的效率”对于系统设计人员意味着什么呢？让我们从高效率电源调节的重要性开始讨论吧。

区分电源调节的优先级

理想上，手持设备设计人员都愿意在自己的设计中为每种应用选用最高效率的解决方案。然而，更高效的电源调节通常意味着更大的解决方案尺寸，更长的材料清单以及更高的成本。相反地，手持设备行业的发展趋势却是更低的成本以及更小的外形因子，因此，手持设备设计人员不得不区分优先级，权衡轻重。

首先处理手持设备中最耗电的部分是十分重要的。比如，使用开关电源为最大功耗约20mW的1.8V闪存供电将是个不错的方案。但由于其本身耗电很少，效率90％的开关电源与效率50％的LDO相比，在电池寿命上只有微不足道的改善。

相反，低效率的背光显示解决方案功耗有可能高达2W，毫无疑问将损及器件的寿命。于是，第一步是确认最恰当的部分，作为高效率电源调节的目标。作为一个电源解决方案提供商，我非常愿意帮助我的客户解决最困扰他们的问题。但是提供电源调节仅仅是第一步。挑战在于如何使电池的能量尽可能地持久。

尽可能减小能量消耗

能量定义为功率和时间的乘积。因此，让使用时间最长的部件的运行功耗尽可能地小，这一点就相当重要。例如，手机的基带处理器从不关断，但差不多90％以上的时间它都处于待机模式下。选择一款具有超低漏电流（几十微安）的电源IC可以使手机的工作时间最大限度地延长。

节能的另一个策略是尽量减少系统中能量转换的次数，或者是尽量减少电池和终端应用之间的电源IC的数目。一款效率为90％的变压器依然会浪费掉10％的能量。如果在电源通路中使用了两个这样的电源IC，调节的真正效率只有81％（0.9 x 0.9），这还没有考虑电感等无源元件的额外功耗。

这就是创新之关键所在。设计人员常常把注意力放在他们的具体应用上，但忽视了电源设计。电源应用专家却能够在使用相同变压器的条件下，通过优化系统能效的配置来改善这种情况。 举例讲，有时需要分别利用一个升压型和降压型变压器，让电压先步升然后再步降。而更好的解决方案是使用一款降压-升压型变压器，在一步内同时完成这两种模式。

优化电路板空间

至于设计方案的尺寸，小尺寸电源IC并不一定意味着解决方案本身具有小尺寸。我们必须确保电容和电感等无源元件同时得到了优化。此外，我的一个经验法则是，对于手持设备解决方案，在关键路径的x、y或z方向上，电源IC不能是最大的元件。

每个电源IC提供商以及用户都知道，效率和设计解决方案尺寸对于手持设备设计至关重要。实际上，这两大因素应该被视为下一代手持设备设计的首要条件。那么，电源管理器件还应该具备哪些特性呢？

一个因素是易于使用。手持设备设计人员不是电源专家，他们更喜欢简单些的解决方案。例如，使用无电感的电荷泵开关变压器比使用磁元件的解决方案进行设计更简单，因为设计人员不需要处理因电感而造成的更大尺寸，额外布局时间，当然也无需处理电感产生的噪声问题。

有必要为那些单干的设计人员们提供相关的开发工具和应用手册，他们正在孤军奋战，试图成功开发出下一个类似iPod的产品呢。设计工具在便携市场一直被忽略，因为厂商资源主要都集中在为大型OEM客户提供直接支持上。我们需要更多的专用软件和网络工具资源来帮助大批手持设备设计人员。

手持设备市场具有非常苛刻的开发周期要求，以适应消费者不断变化的需求。因此，携式设备设计人员更喜欢能够减少设计时间的IC。一个手持设备设计解决方案是一个动态的实体，需不断地自我校正以提供最新的功能和应用。这意味着，需要新的电压轨以及输出电流值。对于设计人员来说，每次都需要寻找新的电源解决方案、对之进行评估、重新设计电路板、测试新系统，是很没有效率的事。

另一重要因素是电源IC应具有一定程度的可配置性。数字接口，例如I²C，可以帮助设计人员改变电压和电流等其它参数。然而，I²C接口需要编写额外的软件，这对于消费类电子设计来讲是相当罕见的。因此，我们必须在模拟接口开发方面进行创新，让设计人员能够修改自己的解决方案，或更甚之，我们必须提供能够适应最终应用不断变化的需求的电源解决方案。

传统的电源变压器规格，比如效率，已经接近一个饱和值。投资把开关变压器的效率从95％提高到96％好处甚少。而手持设计人员面临的主要电源挑战仍然没有解决。如今有些非常好的电源管理IC，只要它们针对恰当的问题，对系统设计人员就极为有用。

另外，对于电源管理专家，有着很多的机会去定义新的器件，以支持更高性能的手持设备。下一代手持电源管理IC将不仅仅是高效率的电源变压器，更是卓越的问题解决者。

作者：Vik Sangha，

高级营销工程师

美国国家半导体公司