新型的筆記本電腦電源管理技術(shù)

傳統(tǒng)的筆記本電腦電源架構(gòu)

筆記本電腦的電源部分可分成兩大部分：鋰離子電池組及充電線路和系統(tǒng)供電電路。因?yàn)楣P記本電腦不能直接使用交流電，所以外部還需要一個(gè)電源適配器，通過(guò)它將交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電。當(dāng)直流電進(jìn)入筆記本電腦之后，會(huì)兵分兩路，一路直接輸送到系統(tǒng)內(nèi)置的DC/DC變送器中，經(jīng)過(guò)變壓處理，給各單元供電；另一路則會(huì)進(jìn)入鋰離子電池充電線路，對(duì)鋰離子電池充電。鋰離子電池組一般采用四串二并或三串二并的結(jié)構(gòu)，其所需的電壓為9～16.8V，而電源適配器所輸出的電壓多為19V，為了兼顧這兩部分的不同要求，電源的設(shè)計(jì)者就要將筆記本電腦的輸入電壓限定在7～21V。

這樣就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：第一是輸入電壓的范圍過(guò)寬，很容易降低效率，并增加系統(tǒng)發(fā)熱量，給系統(tǒng)帶來(lái)隱患。第二是鋰離子電池組所需的電壓與系統(tǒng)電壓不同，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電源適配器的時(shí)候，要在系統(tǒng)的峰值功率上再加上充電功率，系統(tǒng)的功耗因此會(huì)被提升。

新型的電源管理架構(gòu)

要解決上面的問(wèn)題，光靠修修補(bǔ)補(bǔ)是無(wú)濟(jì)于事的，必需要在結(jié)構(gòu)上動(dòng)大手術(shù)。為此，許多公司都開(kāi)發(fā)出了新的電源架構(gòu)。這里，我們以O(shè)2Micro公司的OZ875x為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該系列芯片采用了一種名為Cool Charge Topology（CCT）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是適配器的輸出電壓會(huì)同鋰離子電池組的電壓保持一致，其原理架構(gòu)如圖1所示。

圖1  OZ875x原理圖

實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是電池組管理芯片將能夠主動(dòng)地調(diào)節(jié)適配器的輸出電壓，使其同樣輸出9～12.6V的電壓，這樣就能減小電腦輸入電壓的范圍（具體的拓?fù)湟?jiàn)圖2）。當(dāng)然，該架構(gòu)還使得系統(tǒng)電路板的面積得以減小，降低了系統(tǒng)的成本。從圖2可以看出，由于采用新的設(shè)計(jì)，OZ875x芯片可為系統(tǒng)節(jié)省兩個(gè)外部MOSFET。同時(shí)，外部輸入電容和MOSFET的規(guī)格也相應(yīng)的降低了。因?yàn)槿绻P記本電腦的輸入電壓為21V，輸入電容就要有25V，而MOSFET就要有30V。而新技術(shù)將最大輸入電壓降低到了12.6V，對(duì)電容和MOSFET的要求也就相應(yīng)降低了。這種架構(gòu)的最后一個(gè)好處是擴(kuò)大了對(duì)適配器的選擇范圍，因?yàn)橛呻姵亟M管理芯片來(lái)調(diào)節(jié)適配器的輸入電壓，我們可以不再考慮適配器的種類(lèi)。

圖2  OZ875x架構(gòu)圖

其他的電源芯片公司也在推出自己的新產(chǎn)品，比如，Linear的LTC4062、MAXIM的MAX1533A/MAX1537A、TI的bq24060等，因篇幅有限，這里就不一一介紹了。

再加一層防護(hù)鋰離子電池的能量密度是很高的，這既給系統(tǒng)帶來(lái)了充沛的活力，又給系統(tǒng)造成了安全隱患。前不久發(fā)生的筆記本電腦電池爆炸事件就是一個(gè)很好的佐證。

對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，問(wèn)題多發(fā)生在充放電這個(gè)環(huán)節(jié)，除了過(guò)度充電和過(guò)度放電以外，充電中的過(guò)電流充電和過(guò)電壓充電也對(duì)電池的傷害很大。以往，老式的芯片注重對(duì)溫度的監(jiān)控，但溫度的變化只是一個(gè)表象，電流和電壓的異常才主要的原因。能在充電過(guò)程中做到對(duì)電壓和電流的精密監(jiān)控才是真正的未雨綢繆。現(xiàn)在，新式的芯片已經(jīng)具備了防范過(guò)電流和過(guò)電壓充電的功能。以O(shè)Z875x為例，當(dāng)充電電壓高于這個(gè)電壓的時(shí)候，它會(huì)控制外部的MOSFET關(guān)斷，停止電池的充電活動(dòng)；它還設(shè)有一個(gè)監(jiān)測(cè)電阻，用以偵測(cè)充電電流。當(dāng)其上的電壓超過(guò)一個(gè)臨界值的時(shí)候，芯片也會(huì)同樣停止對(duì)電池的充電行為。

有了具有保護(hù)功能的充電器芯片，再加上鋰離子電池自身的防護(hù)電路，這樣就能給筆記本電腦加上雙保險(xiǎn)。

電池的新角色

對(duì)于傳統(tǒng)類(lèi)型的筆記本電源電路來(lái)說(shuō)，適配器的選擇是很?chē)?yán)格的，功率較小的適配器往往會(huì)因?yàn)楣β什蛔愣芙^給筆記本電腦充電。而新型充電器芯片的出現(xiàn)則解決了這個(gè)問(wèn)題，還以O(shè)Z875x為例（見(jiàn)圖2），因?yàn)殡姵亟M的電壓與適配器的輸出電壓是相等的，當(dāng)筆記本電腦需要瞬間的大功率而適配器不能滿足時(shí)，電池組會(huì)自動(dòng)向系統(tǒng)供電；而當(dāng)電腦不再需要這些電能的時(shí)候，適配器會(huì)再次向電池進(jìn)行充電。從這方面來(lái)看，新型的充電器芯片使鋰離子電池組扮演了一個(gè)“消防隊(duì)員”的角色。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于筆記本電腦來(lái)說(shuō)，安全和高效的電能供給是非常重要的，相比于飛速發(fā)展的處理器和芯片組，電源芯片的腳步似乎有點(diǎn)蹣跚。不過(guò)，我們已經(jīng)看到了變動(dòng)的前兆，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電源芯片技術(shù)也會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。