延长可穿戴设备寿命的电池解决方案

在快速发展的行动运算市场中，制造商彼此间角逐市占率的竞争是非常激烈的。竞争的关键点之一是电池寿命─包括系统每次充完电的续航力可支援多少的应用;以及在产品寿命期内，每一次的充电周期是否皆能提供一致的系统运作能力(图1) 。

图1 ： 电池储能技术的发展。资料来源：美国电力??研究院(EPRI)

行动装置的内部运算元件技术不断进步，已扩展出极广泛的应用范围，从穿戴式装置到笔记型电脑(图2)，然而电池储能技术的进展却未能以同样速度前进。不过，制造业者正在利用他们所拥有的技术探索可行方法，透过电池单元的建构来增加更多的电力。电池配置及系统构造的最佳化能??为制造业者提供一条康庄大道，以实现更佳的电源效率，以及随之而来更长的电池寿命。

图2 ： 左：以MIPS量测的处理器能力，采用对数刻度显示右：以Wh/l 为单位的电池能源密度

当前的一个重大议题是，今日的微处理器及系统单晶片(SoC)元件需要维持在低电压的高电量，导致了高峰值电流的需求增加。最大电流的需求期间可能很短，但是对于系统每次充电后的续航力，以及整体运作寿命来说影响重大。

现今的SoC促使系统设计人员倾向采用高放电率的电池解决方案。这种改善SoC能源效率的驱动力，已发展到能将核心电压降低到1V以下或更低。一般来说，如果输入和输出电压比低，则在装置内负责提供负载点(point-of-load)电力的降压转换器的效率会升高，这样看来，低电压电池配置的电力损失似乎偏低，有助于确保更久的系统运作时间。然而，较低的电压会导致向电池组汲取高电流。

重复以高放电率放电会严重损及电池的有效容量，基于此理由，电池制造商会针对自身的产品建议最大放电率，以达到既定的周期寿命。

若平均电流量是2A，则电池在经过500个充放电周期后，预期仍能储存其额定容量的95%。若平均电流量是20A，则有效容量会降至70%，减短了电池的可用寿命。在旧有的设计中，电池通常是可替换的。然而，为了提供使用者更强的续航力，制造商越来越常采用不易更换的嵌入式电池。

嵌入式电池让制造商能以更多元的方式为产品提供额外的电池容量。一些可折叠式的平板设计将电池内嵌于平板和键盘模组等多处地方，因此提供的总和容量会高于使用者可更换的单一电池。如此一来，嵌入式电池解决方案其生命周期内的容量就变得更重要了。

电池配置通常就是为了达到特定输出电压及峰值电流额定值所进行的电池单元安置。电池单元可能采用并联，则峰值电流输出就要乘以并联的电池单元数量。2P(2个电池单元并联)配置能有效产生双倍的电流。相反的，若是采用串联，则输出电压会增加，2S(2个电池单元串联)会导致加倍的输出电压。有些系统尤其是笔记型电脑会采用混合配置，例如3S2P配置。较小的系统则通常采用1S， 2S或3S配置。

对许多设计而言，2P配置的锂聚合物电池能支援制造商想要的电池封装选项，也相容于不断成长的可携式系统的电压，包括高阶智慧型手机、平板手机、可折叠式平板和笔记型电脑等。就笔记型电脑而言，比旧式3S及4S配置更低的电压，更能相容于今日的核心电压，也防止电池组的放电率太高。对较大体积的智慧型手机设计而言，这样的电压有助于确保峰值电流的功耗保持在不会损及电池长期容量的范围内，同时也适合今日的超薄诉求。

虽然智慧型手机设计要求的高电压，看似对制造商必须提供的长久电池寿命形成挑战，然而只要改变电力供输方式即能有效解决问题。当输入/输出电压比的提高影响了降压转换器的效率，只要透过预调步骤就能将降压电路维持在低耗损，同时相容于2S解决方案的较高电压。

关键在于固定比的电源转换器架构，能将2S电池组的额定电压7.2V 减半至3.6V，且仍在现今降压转换器的有效转换范围内。采用这样的固定比转换器，不仅是高效率的转换策略，也意谓着用于1S配置的降压转换器，可以容易的为2S电池组的设计再次使用，因而加速上市时间。

例如，在Dialog的DA9312(图2)中的电源转换器，能呈现从极低电流到最大10A电流的平坦效率曲线。与既有的降压转换器一起使用，虽然额外的电压转换会造成些微的额外损失，但能经由2S电池组内多重低压降压转换器的运作而获得补偿，电池寿命不会受损。

图3 ： DA9312方块图

2S电池组提供的电压能直接支援降压转换器，为USB周边装置以及有较高电压需求的介面供电，这类电压高于核心逻辑所需的电压，以相容于周边电路的电压。像DA9312这样的元件便充分发挥了2S配置的这个特性，整合两个降压转换器，并搭配功率FETs更为完整。

为了支援这些较高电压的介面的高峰值容量，可以采用一种双相(dual-phase)策略，将这两个降压转换器视为一组来运作。除了由电源转换器提供给外部核心逻辑降压转换器或系统PMIC(电源管理IC)的10A外，这种双向拓璞还能让峰值电流达到10A。

结果就是整体体积更小的电源管理方案，并且能在同一个封装中执行多重电压转换器的功能。现今的设计中，印刷电路板(PCB)面积有很高的比例是分配给电源管理。近来有些设计中会达到PCB的40%，主要归因于SoC元件的持续整合。透过超高整合度的SoC，PCB本身已有缩小，能挪出更多的空间给电池。依循着相同的SoC趋势，电源管理电路本身也在缩小，为更大的电池容量提供了更多可能性。

DA9312采用此种电压转换器拓朴的进一步优势，是能在没有外部电感、唯有电容的情况下运作。不仅节省电板空间，也增强系统制造商提供超薄产品的能力。绕线电感因为占体积，很难应用于超薄外观。另一方面，电容无论在尺寸和形状方面都能提供更多的弹性。采用高交换频率，例如两个降压转换器所使用的1.5MHz，则外部的被动元件能进一步微缩，节省PCB面积。晶片级封装的紧密布线性质也有助于减少PCB面积的占用。

转而采用2S电池组以及由DA9312实现的高整合电压转换策略，不仅是PCB面积，包括元件数目及PCB高度都能较既有的离散式解决方案缩减一半。这种方法显示了将电源效率的生命周期纳入考量，以及同时最佳化电源管理晶片及电池架构所能带来的好处。