便攜式應(yīng)用中的有源電源管理

    移動電話、智能電話、PDA以及媒體播放器等當(dāng)今便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品均擁有非常豐富的特性與功能。這些產(chǎn)品高、中、低端一應(yīng)俱全，其性能水平和體積大小也各不相同。總體說來，便攜式應(yīng)用的尺寸越來越小、功能越來越豐富、性能也越來越高，但功耗卻一直居高不下。

    相關(guān)示例數(shù)不勝數(shù)，如超過300萬象素可拍照手機(jī)的高分辨率攝像頭、電流超過1A的單個高功率閃光燈LED或數(shù)碼相機(jī)中的氙氣閃光燈、智能電話或媒體播放器中的高級音頻或功放系統(tǒng)，以及大多數(shù)便攜式應(yīng)用中均配備的高分辨率LCD顯示屏等。

    設(shè)計(jì)師面臨著必須同時滿足靜態(tài)和動態(tài)電源管理需求的挑戰(zhàn)。隨著便攜式產(chǎn)品的功能日益豐富，應(yīng)用對單電源也提出了更高的要求，從而導(dǎo)致電量消耗顯著加大，電池使用壽命相應(yīng)縮短。

    另外，模擬與數(shù)字基帶處理器單元、中央處理器主機(jī)，尤其是各種新推出的圖形及音頻專用處理器等，無論在先進(jìn)性還是在集成度方面都在不斷提升。隨著產(chǎn)品功能的增多，IC的集成度也隨之提升，因此需要更多的電源軌，或在同樣數(shù)量的電源軌上施加更高的電源電流。

    大多數(shù)便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品均使用標(biāo)準(zhǔn)的高性能鋰離子電池(通常為單電池配置)。鑒于電池電量有限，制造商不得不在下列兩種情況中做出決斷，要么為用戶提供功能豐富的應(yīng)用但忍受較短的電池使用壽命，要么犧牲應(yīng)用的功能豐富性而確保較長的電池使用壽命。但當(dāng)今的消費(fèi)者既希望獲得高端產(chǎn)品，同時又要求電池具備超長使用壽命。

    便攜式系統(tǒng)中的動態(tài)電壓縮放(Vbat大于Vrail)

    鋰離子電池技術(shù)中最常見的電壓范圍是4.2V~3.0V。新的電池或未來的化學(xué)技術(shù)一方面將實(shí)現(xiàn)高達(dá)4.5V的電壓，另一方面需要將放電截止電壓降低至3V。這就意味著可用的輸入電壓范圍變得更為寬泛了，因而也就可以在該范圍內(nèi)添加更多的電壓軌。

    當(dāng)今的系統(tǒng)電壓軌通常低于3V(如處理器內(nèi)核電源、I/O電源及內(nèi)存電源)或高于5V。這些電壓軌通常由分立LDO、中或低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器、多通道電源管理單元(PMIC)或模擬基帶(ABB)單元等其他來源產(chǎn)生。電源管理設(shè)計(jì)為各種處理器提供了必要的電壓軌、正確的電壓及電流大小。如果應(yīng)用切換到“關(guān)閉”或預(yù)定義的“省電”模式，通常情況下，所有的處理器及電源管理器件都會進(jìn)入輕負(fù)載或待機(jī)模式。這樣，電壓電平將會降低，流耗也降至最低。在最佳情況下，每個IC僅消耗幾個uA的電流。上述情況是靜態(tài)的，一旦電源管理設(shè)計(jì)完成，電壓軌受到影響的可能性極小。

    近期推出的分立式低功率降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器及高集成度多通道電源管理單元(PMIC)已經(jīng)具備了串行I2C接口能力。隨著串行接口在分立電源管理器件中的使用，將進(jìn)一步減少對電壓軌的影響。通過將軟件工具、處理器控制功能與串行標(biāo)準(zhǔn)I2C接口相結(jié)合，數(shù)字單元與模擬電源管理IC之間實(shí)現(xiàn)了前所未有的高性能信息交換。電壓、電流以及功率的實(shí)時調(diào)整成為現(xiàn)實(shí)。另外，還可實(shí)現(xiàn)對電源管理及監(jiān)控的軟件控制，因而在現(xiàn)有的滿負(fù)載到系統(tǒng)待機(jī)模式之間可以存在多種省電模式。

    I2C接口有三種不同的速率選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)100kbps、快速400kbps以及高速3.4Mbps。利用分立式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以動態(tài)地精確調(diào)整分立電源管理器件的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)整任何處理器單元的內(nèi)核供電電壓。這種設(shè)計(jì)需要使用快速DC/DC轉(zhuǎn)換器。例如，開關(guān)頻率為3MHz以上的轉(zhuǎn)換器可確保快速信號的瞬態(tài)響應(yīng)。另外，低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU應(yīng)具備不同的工作模式，如PFM或強(qiáng)制PFM，以便通過自調(diào)節(jié)或通過I2C控制信號進(jìn)入某項(xiàng)工作配置。

    該設(shè)計(jì)可在不犧牲整體性能的情況下精確滿足系統(tǒng)性能需求。因此使每種工作條件或處理器模式的功耗均實(shí)現(xiàn)最低，從而延長電池使用壽命、減少器件發(fā)熱量并增強(qiáng)整體系統(tǒng)性能。

    DC/DC轉(zhuǎn)換器及具有I2C接口的電源管理IC

    例如，單通道低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS62350可支持所有三種I2C速度模式。采用微型12球柵芯片級封裝(CSP)的降壓轉(zhuǎn)換器可在單個鋰離子電池的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)800mA的輸出電流，效率高達(dá)90％。利用I2C接口可調(diào)整輸出電壓以支持最新一代的處理器及具有12.5mV“微小步長”、最小輸出電壓為0.6V的電源軌。可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器有助于延長3G智能電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)及其他便攜式應(yīng)用的電池使用壽命。

    借助I2C接口降低功耗的另一種方法是采用像TPS65020這樣的器件。這種高度集成的PMIC具有六個輸出信道、三個低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器以及三個LDO，效率高達(dá)97%。

    I2C可以動態(tài)地調(diào)整并測量通常為處理器內(nèi)核供電的主DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。另外兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于為I/O電源、存儲器或其他電源軌供電。此外，通過I2C也可以使不同的構(gòu)建塊(如IC上所有三個LDO或DC/DC轉(zhuǎn)換器)在“開/關(guān)”之間切換，以降低整個PMU的功耗及發(fā)熱量。“關(guān)閉”不同的構(gòu)建塊也可動態(tài)降低靜態(tài)電流的消耗。

    另一種方法是使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的預(yù)設(shè)輸出電壓。TPS62400是一款雙通道的降壓轉(zhuǎn)換器，該器件不帶I2C接口，但具有被稱為“Easyscale”的單線接口。通過Easyscale，我們可以在運(yùn)行過程中訪問并更改存儲于器件EEPROM中的預(yù)定義輸出電壓。根據(jù)所選輸出電壓的范圍(0.7V～6.0V)，電壓步長(Voltage step)可小至25mV、50mV或100mV。

    總之，動態(tài)電壓測量可降低整體功耗、優(yōu)化系統(tǒng)性能并延長電池使用壽命。可根據(jù)器件活動、工作模式以及溫度變化等動態(tài)控制電壓大小、頻率及功率預(yù)算，以使電源系統(tǒng)更靈活。

    便攜式系統(tǒng)中的降－升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(Vbat等于Vrail)

    另一方面，攝像模塊、音頻放大器、內(nèi)存卡以及其他子系統(tǒng)需要數(shù)倍于3.1V、3.3V或3.6V的電源電壓。當(dāng)電池電壓超過目標(biāo)電壓軌時，根據(jù)定義則電源功率級需要降低電池電壓；反之，則升高電池電壓。有多種解決方案都可解決 
這一難題，如SEPC、反向轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)或級聯(lián)式升、降壓轉(zhuǎn)換器。每種解決方案都各有其自身的優(yōu)劣勢，但都無法同時實(shí)現(xiàn)最小的體積和最高的效率。

    最新解決方案是近期推出的一款高集成度降－升DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS63000。該轉(zhuǎn)換器具有4個組合了獨(dú)特控制設(shè)計(jì)的集成主電源FET。由于解決了現(xiàn)有解決方案的效率降低問題，當(dāng)電池電壓與輸出電壓相同或相近時(Vbat=Vrail)，優(yōu)化后的效率最高可達(dá)96%。這意味著什么？首先，與現(xiàn)有解決方案相比，其效率提高了2%~6%；其次，更為重要的是這種效率優(yōu)勢能夠體現(xiàn)在整個電池電壓范圍內(nèi)。

    這樣就實(shí)現(xiàn)了電池容量的最大化利用，從而顯著延長電池使用壽命，并最終帶來超長的系統(tǒng)/應(yīng)用工作時間及待機(jī)時間。

    第二個要討論的重要問題是使體積最小化，該款集成轉(zhuǎn)換器采用3x3mm2 QFN封裝，與2.2uH電感器的大小相同。為減少無源組件數(shù)，可預(yù)設(shè)輸出電壓(如3.3V)來使總體組件數(shù)減少到4個：IC+電感器+2個電容器。

    本文小結(jié)

    便攜式應(yīng)用的電源管理正向效率更高、體積更小、更加靈活的方向發(fā)展。隨著接口功能的推陳出新，新的控制方案、電源軌的快速控制、數(shù)字處理器及其模擬電源管理組件之間的通信都將實(shí)現(xiàn)全面的提升。

    功率預(yù)算的實(shí)時調(diào)整、處理器省電方案的調(diào)整以及負(fù)載條件下電壓軌的優(yōu)化等都將使電池更加智能化。這對于提高應(yīng)用的使用時間以及延長電池使用壽命等都極有幫助，并在用戶使用系統(tǒng)所有功能的前提下顯著延長待機(jī)時間、通話時間或播放時間。