延長可穿戴設備壽命的電池解決方案

在快速發展的行動運算市場中，制造商彼此間角逐市占率的競爭是非常激烈的。競爭的關鍵點之一是電池壽命─包括系統每次充完電的續航力可支援多少的應用;以及在產品壽命期內，每一次的充電周期是否皆能提供一致的系統運作能力(圖1) 。

圖1 ： 電池儲能技術的發展。資料來源：美國電力??研究院(EPRI)

行動裝置的內部運算元件技術不斷進步，已擴展出極廣泛的應用范圍，從穿戴式裝置到筆記型電腦(圖2)，然而電池儲能技術的進展卻未能以同樣速度前進。不過，制造業者正在利用他們所擁有的技術探索可行方法，透過電池單元的建構來增加更多的電力。電池配置及系統構造的最佳化能??為制造業者提供一條康莊大道，以實現更佳的電源效率，以及隨之而來更長的電池壽命。

圖2 ： 左：以MIPS量測的處理器能力，采用對數刻度顯示右：以Wh/l 為單位的電池能源密度

當前的一個重大議題是，今日的微處理器及系統單晶片(SoC)元件需要維持在低電壓的高電量，導致了高峰值電流的需求增加。最大電流的需求期間可能很短，但是對于系統每次充電后的續航力，以及整體運作壽命來說影響重大。

現今的SoC促使系統設計人員傾向采用高放電率的電池解決方案。這種改善SoC能源效率的驅動力，已發展到能將核心電壓降低到1V以下或更低。一般來說，如果輸入和輸出電壓比低，則在裝置內負責提供負載點(point-of-load)電力的降壓轉換器的效率會升高，這樣看來，低電壓電池配置的電力損失似乎偏低，有助于確保更久的系統運作時間。然而，較低的電壓會導致向電池組汲取高電流。

重復以高放電率放電會嚴重損及電池的有效容量，基于此理由，電池制造商會針對自身的產品建議最大放電率，以達到既定的周期壽命。

若平均電流量是2A，則電池在經過500個充放電周期后，預期仍能儲存其額定容量的95%。若平均電流量是20A，則有效容量會降至70%，減短了電池的可用壽命。在舊有的設計中，電池通常是可替換的。然而，為了提供使用者更強的續航力，制造商越來越常采用不易更換的嵌入式電池。

嵌入式電池讓制造商能以更多元的方式為產品提供額外的電池容量。一些可折疊式的平板設計將電池內嵌于平板和鍵盤模組等多處地方，因此提供的總和容量會高于使用者可更換的單一電池。如此一來，嵌入式電池解決方案其生命周期內的容量就變得更重要了。

電池配置通常就是為了達到特定輸出電壓及峰值電流額定值所進行的電池單元安置。電池單元可能采用并聯，則峰值電流輸出就要乘以并聯的電池單元數量。2P(2個電池單元并聯)配置能有效產生雙倍的電流。相反的，若是采用串聯，則輸出電壓會增加，2S(2個電池單元串聯)會導致加倍的輸出電壓。有些系統尤其是筆記型電腦會采用混合配置，例如3S2P配置。較小的系統則通常采用1S， 2S或3S配置。

對許多設計而言，2P配置的鋰聚合物電池能支援制造商想要的電池封裝選項，也相容于不斷成長的可攜式系統的電壓，包括高階智慧型手機、平板手機、可折疊式平板和筆記型電腦等。就筆記型電腦而言，比舊式3S及4S配置更低的電壓，更能相容于今日的核心電壓，也防止電池組的放電率太高。對較大體積的智慧型手機設計而言，這樣的電壓有助于確保峰值電流的功耗保持在不會損及電池長期容量的范圍內，同時也適合今日的超薄訴求。

雖然智慧型手機設計要求的高電壓，看似對制造商必須提供的長久電池壽命形成挑戰，然而只要改變電力供輸方式即能有效解決問題。當輸入/輸出電壓比的提高影響了降壓轉換器的效率，只要透過預調步驟就能將降壓電路維持在低耗損，同時相容于2S解決方案的較高電壓。

關鍵在于固定比的電源轉換器架構，能將2S電池組的額定電壓7.2V 減半至3.6V，且仍在現今降壓轉換器的有效轉換范圍內。采用這樣的固定比轉換器，不僅是高效率的轉換策略，也意謂著用于1S配置的降壓轉換器，可以容易的為2S電池組的設計再次使用，因而加速上市時間。

例如，在Dialog的DA9312(圖2)中的電源轉換器，能呈現從極低電流到最大10A電流的平坦效率曲線。與既有的降壓轉換器一起使用，雖然額外的電壓轉換會造成些微的額外損失，但能經由2S電池組內多重低壓降壓轉換器的運作而獲得補償，電池壽命不會受損。

圖3 ： DA9312方塊圖

2S電池組提供的電壓能直接支援降壓轉換器，為USB周邊裝置以及有較高電壓需求的介面供電，這類電壓高于核心邏輯所需的電壓，以相容于周邊電路的電壓。像DA9312這樣的元件便充分發揮了2S配置的這個特性，整合兩個降壓轉換器，并搭配功率FETs更為完整。

為了支援這些較高電壓的介面的高峰值容量，可以采用一種雙相(dual-phase)策略，將這兩個降壓轉換器視為一組來運作。除了由電源轉換器提供給外部核心邏輯降壓轉換器或系統PMIC(電源管理IC)的10A外，這種雙向拓璞還能讓峰值電流達到10A。

結果就是整體體積更小的電源管理方案，并且能在同一個封裝中執行多重電壓轉換器的功能。現今的設計中，印刷電路板(PCB)面積有很高的比例是分配給電源管理。近來有些設計中會達到PCB的40%，主要歸因于SoC元件的持續整合。透過超高整合度的SoC，PCB本身已有縮小，能挪出更多的空間給電池。依循著相同的SoC趨勢，電源管理電路本身也在縮小，為更大的電池容量提供了更多可能性。

DA9312采用此種電壓轉換器拓樸的進一步優勢，是能在沒有外部電感、唯有電容的情況下運作。不僅節省電板空間，也增強系統制造商提供超薄產品的能力。繞線電感因為占體積，很難應用于超薄外觀。另一方面，電容無論在尺寸和形狀方面都能提供更多的彈性。采用高交換頻率，例如兩個降壓轉換器所使用的1.5MHz，則外部的被動元件能進一步微縮，節省PCB面積。晶片級封裝的緊密布線性質也有助于減少PCB面積的占用。

轉而采用2S電池組以及由DA9312實現的高整合電壓轉換策略，不僅是PCB面積，包括元件數目及PCB高度都能較既有的離散式解決方案縮減一半。這種方法顯示了將電源效率的生命周期納入考量，以及同時最佳化電源管理晶片及電池架構所能帶來的好處。