優(yōu)化電池設(shè)計，延長移動設(shè)備電池續(xù)航時間

Charies Limonard

摘要：電池續(xù)航時間是移動計算市場上的核心競爭力之一，這涉及兩個方面：一是每次充電后系統(tǒng)能支持多長使用時間，二是系統(tǒng)在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的每個充電周期都能提供一致的使用能力。通過結(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：移動設(shè)備；電池續(xù)航；充電

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.019

移動計算市場發(fā)展非常迅速，各生產(chǎn)商為爭奪市場份額紛紛展開激烈競爭。競爭的其中一項關(guān)鍵點是電池續(xù)航時間，這涉及兩個方面：一是每次充電后系統(tǒng)能支持多長使用時間，二是系統(tǒng)在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的每個充電周期都能提供一致的使用能力（圖1）。

移動設(shè)備內(nèi)部計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電池進行配置，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、進而提供更長電池續(xù)航時間提供了一條康莊大道。

目前的一個主要問題是現(xiàn)在的處理器和系統(tǒng)級芯片（SoC）芯片在低電壓條件下的高功率需要，這會導致高峰值電流需求。需要最大電流的時間可能很短，但其對系統(tǒng)一次充電能運行多長時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，當輸入與輸出電壓比處于低水平時，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)一次充電運行更長時間。但使用低供電電壓會導致電池組提供更大電流。

高放電速度下的反復電量損耗會顯著降低電池的有效容量。為此，電池生產(chǎn)商都針對其產(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，該有效容量會降到僅70%，從而限制電池的使用壽命。在舊式設(shè)計中，電池常?？梢愿鼡Q。但生產(chǎn)商由于希望向用戶提供更長的一次充電可運行時間，越來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)計將電池嵌入平板電腦和鍵盤模塊的多個位置，以提供比使用單個可拆卸電池組更高的總?cè)萘?。因此，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表示。電池單元可能采用并聯(lián)（p）布線，這時的總峰值電流輸出等于一個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。

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

盡管智能手機設(shè)計中的較高電壓可能看似不符合生產(chǎn)商對更長電池壽命的要求，但通過改變供電策略可以有效地解決這個問題。雖然降壓轉(zhuǎn)換器會在輸入和輸出電壓之比增加時在效率上受到影響，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電池組而進行的設(shè)計，從而縮短新品上市時間。

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，附加的電壓轉(zhuǎn)換只會帶來些許額外損耗，這完全可以通過使用一個2S電池組運行大量低壓降壓轉(zhuǎn)換器而帶來的壽命優(yōu)勢得到彌補。

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配置的這個優(yōu)勢，通過集成兩個降壓轉(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，兩個降壓轉(zhuǎn)換器可采用雙相策略作為一對轉(zhuǎn)換器來運行。在電源轉(zhuǎn)換器向外部內(nèi)核邏輯降壓轉(zhuǎn)換器或系統(tǒng)PMIC提供10A電流以外，雙相拓撲允許再額外提供最大10A的峰值電流。

因為可將多個電壓轉(zhuǎn)換器的功能集成在一個封裝之中，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)計中可達到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。通過使用超高集成度的SoC來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，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會。

DA93P2使用的電壓轉(zhuǎn)換器拓撲的另一優(yōu)勢是，無需外部電感，只需電容就可以運行。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，例如兩個降壓轉(zhuǎn)換器使用的1.5MHz，外部無源器件可以進一步縮小，以節(jié)省PCB空間。芯片級封裝的使用旨在支持緊湊的布線，同時幫助減少占用PCB面積。

通過結(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)進行協(xié)同優(yōu)化的好處。