PDA电源系统的设计挑战及解决方案

由于PDA是一种便携式设备，因此电池使用时间和电源管理技术直接关系到其可用性。

如今，由电池供电的PDA将遇到来自电源管理方面的严峻挑战，因为各种能量饥渴型功能正不断被添加到PDA上，而其电池工作时间仍需要保持在一个合理的水平上，并且电池体积和重量还要保持不断变轻变小的趋势。这就要求高效的能量转换、电池充/放电周期的精确控制、以及尽可能多地采用省电运行模式。但即使采取了这些措施，PDA制造商仍在研制更高容量的电池，以满足负载不断增长的要求。能量密度是电池选用考量的首要因素。锂离子电池的能量密度由于比其最接近的竞争对手还高1倍，因此它实际上已经成为所有PDA当仁不让的选择。

三个关键领域的电源管理技术探讨

电源管理(PM)模块负责整个PDA系统的电源供给和管理。图1勾勒出了PM模块的框架，PM模块由电池管理、电压管理和负载管理三个子模块组成。

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电池管理子模块

电池管理子模块负责电池的充电、保护和检测，它的主要作用是优化电池利用和延长系统运行时间。其电路结构视所选的电池化学成分、容量和充/放电周期数而定。一旦确定了这些因素，电源架构设计师就可以选择充电器拓朴结构(线性、PWM或脉冲模式)和电池保护方案。当输入从AC电源适配器切换到电流有限制的USB总线电压时，一个最近的考虑包括将嵌入式IC充电器重新配置到一个更低的充电速率(C-Rate)。

电能测量最初只是一项电池管理功能，但随着用户越来越关心电池使用状况，它也正在变成负载管理的一个组成部分。准确的电能测量需要对随时间而变的电池充/放电电流进行精准的测量，目前广泛使用的基于电池放电曲线的电压测量技术尽管成本很低，但已被证明不能准确反应电池使用状况。也正因为这样，像Intersil ISL6295这样复杂的“电量计量”IC正在获得越来越多的应用。

电压管理子模块

电压管理子模块主要执行分配和调节功能，它负责对未稳压的电池电压(锂离子电池是3-4.2V)进行高效的调节以满足苛刻的负载要求。随着工作电压低于2V的处理器的出现，线性稳压器已经不再适合用于处理器内核电压的稳压。

代之而起的是像Intersil的EL7536和 ISL6271这样的全集成开关稳压器，它们在很宽的动态负载范围内都能有很高的转换效率，从而可以用来对系统和内核处理器电压进行稳压。线性稳压器现已主要用于LDO(低压降)转换，并仅用来为存储器、音频和时钟系统中的噪声敏感电路提供电源。

负载管理子模块

系统负载最少消耗掉电池容量的90%(剩余的10%消耗于能量转换环节)，这一部分是延长电池工作寿命和帮助实现先进PDA性能的关键。CPU必须根据时钟电路、Hi-Fi音频功放、RF天线驱动器、存储器、扩展卡槽、处理器内核和显示背光的活跃度和系统运行模式，恰到好处地依次对这些电路进行开关。这种负载管理方式(通常称为“负载剥离”)不仅延长了电池工作时间，而且还能确保电池不至陷入深度放电状态。

电能计量

了解电池能量消耗情况的方法之一是对其进行计量，而这正是电能计量IC(如Intersil的ISL6295)的主要功能。通过将一只很小的感应电阻与电池串接，ISL6295能够通过累计某一时间段的电池电流流量(毫安-小时)准确地算出消耗或补充的电能。ISL6295通过I²C串行总线记录电压、残余电量、电流和温度，它可用来监测单一的负载功耗，并帮助实现包括负载剥离和电池保护这样的先进电源管理功能。

背光电路是耗能大负载

虽然LCD背光提升了显示的可读性，但它也消耗了大量的电池能量。常用的3种LCD显示背光技术是：EL(电致发光)、LED(发光二极管)和CCFL(冷阴极荧光灯)。EL和 CCFL背光需要一个高电压DC/AC逆变器，而LED背光需要一个容性或感性升压转换器来驱动一组并行或串行白色LED。考虑一个典型的4个LED串联的背光配置，每个LED有4V的前向压降和20mA的前向电流，那么升压转换器的最小输出功率将为=320mW。如果升压转换器的效率为85%，则该显示背光对电池来说，就相当于一个380mW的负载！

用PDA进行无线通信实际上也非常费电。例如，一个常见的手掌大小的带嵌入式WAN无线电模块的PDA需要0.1W来维持数据通信的“常开”待命状态，而在数据通信时一般需要0.25W。这与最先进的PDA处理器处理活动视频时所需的能量(不包括背光功耗)正好一致。除了嵌入式WAN无线通信，局域网卡也广泛用于无线802.11b连接。在典型的PDA使用模式下，你将会发现，对一个平均峰值功率为1W的无线电模块来说，接收和发射模式所占时间分别只占总使用时间的2-3%和1-2%。在其它时间，无线电模块将一直处在空闲状态，不过也要从3.3V系统稳压器中消耗不大不小的20mA电流。

调控电压和频率以增加使用时间

需要大量运算的应用(如多任务操作系统、流视频、MP3回放和无线通信等)使本已左右绌的电池使用时间更加不够用了。幸运的是，来自英特尔、AMD和其它供应商的基于低功耗RISC架构的处理器正陆续应运而生，它们可以根据系统需求平衡计算吞吐量和优化功耗。由于处理器功耗与工作频率成线性关系并与处理器内核电压的平方成正比，因此通过动态控制这些工作参数我们能够显著降低功耗。

英特尔的XScale技术是StrongARM的后继技术，它是主要为移动互联网应用而开发的。这一省电架构代表了英特尔无线应用处理器的关键，它基于被英特尔称为个人客户端架构(PCA)的开放架构。PXA250和PXA210采用的0.18微米工艺使其能工作于400MHz，同时它采用的低介质材料又降低了功耗。英特尔的XScale技术是一种高度可升级微架构，它具有电压和频率调整能力以获得最优性能和功耗(0.18微米工艺能实现的最高工作频率可达到1GHz)。

PXA250有几百万只以400MHz开关频率工作的晶体管，为了将开关损耗减至最小，英特尔采用了“自动时钟门控”技术来关闭非工作状态的电路。PXA250的最大运行功耗为360mW，低功耗模式有待机和休眠两种，分别消耗100mW和50uW功率。一个聪明的程序设计师能根据运行状态灵活地在不同模式间切换以降低功耗。

结论

随着宽带无线通信的到来和处理能力可“调控”处理器的出现，PDA市场将迎来新一轮的增长。未来的PDA可为用户提供“永远在线”的无线数据体验和丰富的多媒体特性，而这将使PDA在企业市场更具活力。不过，便携式电子产品的核心是电池寿命，对这一有限资源的有效管理关乎任一品种PDA的生死成败。在制造商将尽可能多的功能都整合进PDA之后，任何一种便携式设备的成功仍将很大程度上取决于以下几个因素：易用性、重量、成本、大小和电池工作时间，其中4项直接与电池和电池管理息息相关。

作者简历：John Rice是Intersil的电源系统专家，致力于计算机电源应用的研究。作者欢迎大家参与讨论。

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