优化电池设计，延长移动设备电池续航时间

Charies Limonard

摘要：电池续航时间是移动计算市场上的核心竞争力之一，这涉及两个方面：一是每次充电后系统能支持多长使用时间，二是系统在产品使用寿命内的每个充电周期都能提供一致的使用能力。通过结合使用2S电池组和由DA9312所支持的高集成度电压转换策略，与现有分立解决方案相比，不仅有可能使PCB面积减半，还有可能使元件数量和PCB高度减半。

关键词：移动设备；电池续航；充电

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.019

移动计算市场发展非常迅速，各生产商为争夺市场份额纷纷展开激烈竞争。竞争的其中一项关键点是电池续航时间，这涉及两个方面：一是每次充电后系统能支持多长使用时间，二是系统在产品使用寿命内的每个充电周期都能提供一致的使用能力（图1）。

移动设备内部计算元器件如今被广泛采用在从可穿戴设备到笔记本电脑等众多应用中（图2），但电池容量与元器件的发展速度并不相同，因此生产商都在探索各种方法对电池进行配置，以便尽可能从现有的电池技术中获得更多电量。电池配置和系统架构的协同优化，为生产商提供更大功率效率、进而提供更长电池续航时间提供了一条康庄大道。

目前的一个主要问题是现在的处理器和系统级芯片（SoC）芯片在低电压条件下的高功率需要，这会导致高峰值电流需求。需要最大电流的时间可能很短，但其对系统一次充电能运行多长时间和总使用寿命有很大的影响。

今天的SoC迫使系统设计工程师在他们的电池解决方案中选择高电流放电率。提高SoC能效的需要促使他们降低内核电压——现已大幅降至PV以下。通常，当输入与输出电压比处于低水平时，向这些器件供电的降压转換器具有更高的工作效率，这使得看上去低压电池配置可提供更低的功率损耗，从而帮助确保系统一次充电运行更长时间。但使用低供电电压会导致电池组提供更大电流。

高放电速度下的反复电量损耗会显著降低电池的有效容量。为此，电池生产商都针对其产品在规定循环寿命下的最大放电速度给出了建议。

在2A平均放电电流下，电池在500个充放电循环后，还能充满其额定容量的95%以上。在20A平均放电电流下，该有效容量会降到仅70%，从而限制电池的使用寿命。在旧式设计中，电池常常可以更换。但生产商由于希望向用户提供更长的一次充电可运行时间，越来越倾向于使用不容易更換的嵌入式电池。

嵌入式电池方案为生产商提供了更多途径来增加其产品的额外电池容量。一些可翻转式平板电脑设计将电池嵌入平板电脑和键盘模块的多个位置，以提供比使用单个可拆卸电池组更高的总容量。因此，嵌入式电池解决方案在可使用周期内的容量变得日益重要。

电池单元的布置方式可决定输出电压和峰值电流额定值，因而电池配置常常以电池单元的布置方式来表示。电池单元可能采用并联（p）布线，这时的总峰值电流输出等于一个单元的输出乘以并联布线中的单元数量。2P配置能够有效地使电流加倍。相反，在采用串联（s）布线中，输出电压将会增加，2S配置可使输出电压加倍。有些系统（特别是笔记本电脑）使用混合布线，如3S2P配置。较小的系统常常使用1S、2S或35布线。

对许多设计而言，针对锂聚合物电池的2s配置可支持生产商想要的封装选项，以及对越来越多的便携式系统的电压兼容性，从高端智能手机到平板手机和可翻转式平板电脑，再到笔记本电脑。对于笔记本电脑，比旧式3S和4S更低的电压可与今天的内核电压进行更好的兼容，而且不会导致电池组放电率过高的问题。对于较大的智能手机设计，该电压水平有助于确保峰值电流消耗维持在不影响长期电池容量范围之内，并适合当前的轻薄外形设计。

尽管智能手机设计中的较高电压可能看似不符合生产商对更长电池寿命的要求，但通过改变供电策略可以有效地解决这个问题。虽然降压转換器会在输入和输出电压之比增加时在效率上受到影响，但增加预稳压步骤可使降压电路中的损耗保持较低水平，还可提供与2s解决方案的较高电压的兼容性。

解决方法是采用固定比率电源转换器架构——把2S电池组名义上的7.2V电压对半减至3.6V，而3.6V则完全在现有降压转換器的高效转換范围之内。除了支持高效转换策略，使用此类电源转換器还意味着，针对1S配置的降压转换器能够轻松地被再次用于围绕2S电池组而进行的设计，从而缩短新品上市时间。

例如，Dialog的DA9312（图3）中的电源转換器，从非常低的电流到最大电流10A均能提供平稳的效率曲线。与现有降压转换器一起使用时，附加的电压转换只会带来些许额外损耗，这完全可以通过使用一个2S电池组运行大量低压降压转換器而带来的寿命优势得到弥补。

2S电池组的输出电压可直接与为外设（如USB和其他接口）供电的降压转換器进行连接，这些外设需要的电压高于内核逻辑使用的电压，以便兼容外围电路。DA9312这类器件利用了2S配置的这个优势，通过集成两个降压转换器并配上它们的功率FET。

为支持这些较高电压接口上的高峰值容量，两个降压转換器可采用双相策略作为一对转換器来运行。在电源转換器向外部内核逻辑降压转换器或系统PMIC提供10A电流以外，双相拓扑允许再额外提供最大10A的峰值电流。

因为可将多个电压转換器的功能集成在一个封装之中，从而得到一种更小的整体电源管理解决方案。在目前的设计中，PCB板的面积一大部分专用于电源管理。在有些最新设计中可达到PCB面积的40%，这在很大程度上是由于SoC器件集成度的不断提高。通过使用超高集成度的SoC来为电池提供更多电路板空间，PCB本身也在逐渐缩小.那么遵循相同的SoC趋势，电源管理电路本身也可以缩小，并为增加电池容量提供更多机会。

DA93P2使用的电压转换器拓扑的另一优势是，无需外部电感，只需电容就可以运行。这不仅可以节省电路板空间，还提高了系统生产商提供超薄产品的能力。由于需要线圈，电感难以制作成较薄外形。但是电容的尺寸和形状具有较大的灵活性。使用高开关频率，例如两个降压转换器使用的1.5MHz，外部无源器件可以进一步缩小，以节省PCB空间。芯片级封装的使用旨在支持紧凑的布线，同时帮助减少占用PCB面积。

通过结合使用2S电池组和由DA9312所支持的高集成度电压转換策略，与现有分立解决方案相比，不仅有可能使PCB面积减半，还有可能使元件数量和PCB高度减半。此方法证明了将生命周期电源效率纳入考虑，并将电源管理芯片与电池架构进行协同优化的好处。