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低功率设计——多低才算足够低?


    背景信息

    便携式电源应用多种多样,应用领域十分广泛。产品从平均功耗在微瓦量级的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦-时电池组的推车式医疗或数据采集系统应有尽有。不过,尽管应用多种多样,仍然能够总结出几种趋势:设计师继续要求产品提供更大的功率,以支持越来越多的功能;用任何可用电源给电池充电。第一种趋势要求增大电池容量。不幸的是,用户常常不够耐心,不能容忍充电时间太长,所以容量增大的同时,充电时间必须仍然保持合理,这就导致充电电流增大。第二种趋势要求电池充电解决方案具有极大的灵活性。本文将详尽地探讨这些问题。

    看一下新式手持式设备,面向消费者的设备和工业设备都有可能包含蜂窝手机调制解调器、Wi-Fi模块、蓝牙模块、大型背光照明显示器等等。很多手持式设备的电源架构与蜂窝手机类似。一般情况下,3.7V锂离子电池用作主电源,因为这类电池的单位重量(Wh/kg) 和单位体积 (Wh/m3) 能量密度很大。过去,很多高功率设备采用7.4V锂离子电池以降低电流要求,但是随着低价5V电源管理IC的上市,越来越多的手持式设备采用了更低电压架构。平板电脑很好地说明了这一点。一个典型的平板电脑具有很多功能,同时采用非常大 (就便携式设备而言) 的显示屏。用3.7V电池供电时,容量必须达到数千毫安-时,例如2200mAh。为了在数小时内完成这种电池的充电,需要数千毫安充电电流。

    然而,充电电流这么大的同时,如果大电流交流适配器不可用,消费者还可能要求用USB端口给大功率设备充电。为了满足这些要求,在交流适配器可用时,电池充电器必须能够以大电流 (>2A) 充电,但是仍然能够高效地利用USB提供的2.5W至4.5W功率。此外,产品需要保护敏感的下游低压组件,使其避免过压事件导致的损坏,并将大电流从USB输入、交流适配器或电池无缝地引导到负载,同时最大限度地降低功耗。这就为电池IC制造商带来了极好的机会,他们可以开发安全管理电池充电算法、监视关键系统参数的IC。

    在电源应用领域的另一端,是能量收集系统的毫微功率转换要求,例如WSN中常见的能量收集系统,这类系统必须使用电源转换IC,以处理非常低的功率和电流,可能分别为数十微瓦和数十纳安。

 

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