电池管理技术应用介绍

关于由可充电电池供电的复杂便携式设备,如数码相机、pDA及手机的使用者来说,更加关注的是较长的电池使用时间。

由于pDA体积小,只能由一块小电池来作为电源,关于市场选择来说,具有较长使用寿命的电池比较受欢迎。pDA的实际运行时间仅占一小部分,所以可通过电源管理技术来提高电池的使用时间。

一般说来,pDA从来不会完全断电。和pC不相同,电脑的程序都存储在硬盘上,当系统启动时,程序被装载到主存里执行,而pDA由于没有硬盘驱动,所以在启动系统时,使用者不要等待较长时间。看上去处于关断状态的pDA,其实系统处于开机状态,且立即就能完全运行所有功能。

pDA的程序和数据都存储在带电的易失性存储器上,当不要调用数据时,存储器几乎不消耗电池功率。在不执行操作时,处理器处于深睡眠模式而不消耗功率。所有其它的功能,如音频、背光照明以及显示等都被关闭,电源管理电路供应唤醒处理器和存储器的激活电压,并且吸收一个非常小的电流。

即使是处于离线状态的pDA,实际上它仍处于开机状态,因此当系统处于离线状态时,必须具有非常高的效率,这就要求设计电源管理电路的调节器时,静态电流保持在几mA的范围内,而工作电流保持在几百mA。

即使是在运行期间,大部分时间内也只有显示器处于上电状态,一旦操作执行完成,处理器将复位大部分功能到睡眠模式(如图1所示)。所有数据被保留,同时显示处于激活状态(供应操作外观界面),而处理器等待来自显示功能的下一个中断。

实际上,在pDA应用中,最大的功耗节省来自于处理器的睡眠模式和空闲期间不访问存储器,其它的节省来自于空闲期间采用向后调整处理器时钟频率。这样,唤醒功能块的开关激活电流可以降低,另外将处理器和存储器的电压向后调整至刚好可以保持数据激活的状态,也可以降低静态的漏电流。

当检测到笔在触摸屏上的动作时,处理器被唤醒并保持时钟全速运行,发送命令给电源管理电路,将电压动态调整至满量程值,执行所有要的操作,然后立即返回到睡眠模式。在执行每个任务的过程中,如查询地址、写备忘录,所要的时间也就数毫秒,整个设备(除去显示)在99%的时间中都处于高效的离线状态。其它的辅助功能,如立体声音频、数码相机、添加内存卡、无线连接等都可以处于掉电模式。

当许多分立元件或者单功能的IC要供应无法嵌入到处理器中的功能时,采用高度集成的电源管理芯片,大部分不在处理器中的模拟功能都可以被集成在一块IC中,从而可以降低元件数并优化电源管理任务(如图2所示)。

关于使用者来说,移动电话通常处于三种状态DD关机、待机或者接发信息。这些状态下的功能明显不同于pDA,它仅有两个表象状态DD开机和关机。通常说来,当pDA看上去处于关机状态时,实际上是处于睡眠状态,而移动电话的关机状态代表的就是关机。当晶振、计数器以及时钟计数器处于激活状态时,供应给存储器和处理器的功率完全关断。同时在移动电话中也没有降低保持激活电压或者调整时钟频率的功能。

移动电话的待机模式非常接近于pDA的开机状态,在大部分的时间里,电话的处理器可以处于睡眠状态而仅仅保持存储器的电压。RF、音频、照明等都可以关闭,而显示功能运行时只吸收极小的电流。

在系统不执行任何操作的大部分时间里有助于节省电池的使用时间,电话的处理器在大部分时间里都会关闭几乎所有的功能。正如pDA触摸屏的激励也不能触发中断相同,移动电话的呼叫信号本身也不能触发处理器的中断。移动电话的接收器必须不断地打开以监听来自基站发出的信号。

当处理器被唤醒时,处理器中的计时模块精确的记录能运行的时间,并调用电话的接收器去检查来自基站的信号、验证信号的覆盖范围,以确定是否要切换基站。同时还要检查即将到来的呼叫信号。

GSM系统采用了断续接收的原理,话机保持睡眠状态并被周期性地唤醒。在一秒或者更多的时间里,系统可以唤醒电话并多次检查呼叫信号,可以通过唤醒所需的平均消耗电流以及检查一个呼叫所花费的时间来进行折中。

加强型射频电话的唤醒时间序列是相当复杂的。由于每次呼叫整个射频部分都被打开,所以通过触发不同子系统的打开时间,在待机时间下的的测量可以得到改善。

当处理器被唤醒后,处理器必须打开供给RF电路的直流电压。首先调节合成器让电源稳定,然后打开接收器的模拟放大器部分,并指引它们执行自校准程序。天线的开关设定到接收状态,同时射频前端被打开。使能DSp并开始处理转换过来的数字信号。只要接收到数据,射频和模拟部分就被关闭,而DSp完成数据的解码并确定如何处理。除非要对数据进行处理,否则处理器都将返回到睡眠状态,直到下一次数据的到来。

pDA在每一次触摸之间可以返回到睡眠模式下,而电话在通话模式下的数据处理量是很大的。在GSM电话的每一次呼叫期间,除了接收脉冲次数更多而外,大约每秒200次左右,射频电路的按时是相似的。关于GSM使用的时隙来说,接收器和发送器的射频及模拟部分打开的时间大约各占12%。很明显在发送期间消耗的电流是最大的。

移动电话中的其它电路,如音频电路等都是通过呼叫来打开的。由于使用者在任何时候都可能有通话,所以麦克输入信号的偏移、放大、数字通道等都必须持续运行。由于仅需把语音信号传输给使用者,所以从音频接收到扬声器的部分应可关闭和打开。

为了防止在关闭和打开直流电压中的噼啪以及滴答声,音频放大器的模拟部分要尽可能的保持持续打开状态,以放大提示使用者还在连接的呼叫信号。但是当对方没有说话时,数字信号转换为模拟语音的处理过程就不要了,这样,DSp的运行就可以减慢以节约功耗。关于其它的功能,如照相、背光显示或者闪烁的多颜色键盘灯都会消耗功率,所以设计时应保证效率的最优化,并且应该仅在要时才打开。

处理器通过高速SpI总线发送命令,通过把电源调节器、音频以及其它的电源管理功能集成到一块IC中,芯片使能引脚的数目可以减小,只用一个命令就可以控制多个功能,从而可以降低使用的元器件数。