便攜式應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今便攜式消費類電子產品均擁有非常豐富的特性與功能。這些產品高、中、低端一應俱全，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。

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

    設計師面臨著必須同時滿足靜態和動態電源管理需求的挑戰。隨著便攜式產品的功能日益豐富，應用對單電源也提出了更高的要求，從而導致電量消耗顯著加大，電池使用壽命相應縮短。

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

    大多數便攜式消費類產品均使用標準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用但忍受較短的電池使用壽命，要么犧牲應用的功能豐富性而確保較長的電池使用壽命。但當今的消費者既希望獲得高端產品，同時又要求電池具備超長使用壽命。

    便攜式系統中的動態電壓縮放(Vbat大于Vrail)

    鋰離子電池技術中最常見的電壓范圍是4.2V~3.0V。新的電池或未來的化學技術一方面將實現高達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添加更多的電壓軌。

    當今的系統電壓軌通常低于3V(如處理器內核電源、I/O電源及內存電源)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)單元等其他來源產生。電源管理設計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。如果應用切換到“關閉”或預定義的“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入輕負載或待機模式。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。上述情況是靜態的，一旦電源管理設計完成，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轉換器及高集成度多通道電源管理單元(PMIC)已經具備了串行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準I2C接口相結合，數字單元與模擬電源管理IC之間實現了前所未有的高性能信息交換。電壓、電流以及功率的實時調整成為現實。另外，還可實現對電源管理及監控的軟件控制，因而在現有的滿負載到系統待機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：標準100kbps、快速400kbps以及高速3.4Mbps。利用分立式低功耗DC/DC轉換器或PMU，設計師現在可以動態地精確調整分立電源管理器件的輸出電壓，進而調整任何處理器單元的內核供電電壓。這種設計需要使用快速DC/DC轉換器。例如，開關頻率為3MHz以上的轉換器可確�？焖傩盘柕乃矐B響應。另外，低功耗DC/DC轉換器或PMU應具備不同的工作模式，如PFM或強制PFM，以便通過自調節或通過I2C控制信號進入某項工作配置。

    該設計可在不犧牲整體性能的情況下精確滿足系統性能需求。因此使每種工作條件或處理器模式的功耗均實現最低，從而延長電池使用壽命、減少器件發熱量并增強整體系統性能。

    DC/DC轉換器及具有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)的降壓轉換器可在單個鋰離子電池的輸入電壓范圍內提供高達800mA的輸出電流，效率高達90％。利用I2C接口可調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轉換器有助于延長3G智能電話、PDA、數碼相機及其他便攜式應用的電池使用壽命。

    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轉換器以及三個LDO，效率高達97%。

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

    另一種方法是使用DC/DC轉換器的預設輸出電壓。TPS62400是一款雙通道的降壓轉換器，該器件不帶I2C接口，但具有被稱為“Easyscale”的單線接口。通過Easyscale，我們可以在運行過程中訪問并更改存儲于器件EEPROM中的預定義輸出電壓。根據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，動態電壓測量可降低整體功耗、優化系統性能并延長電池使用壽命�？筛鶕�器件活動、工作模式以及溫度變化等動態控制電壓大小、頻率及功率預算，以使電源系統更靈活。

    便攜式系統中的降－升壓DC/DC轉換器(Vbat等于Vrail)

    另一方面，攝像模塊、音頻放大器、內存卡以及其他子系統需要數倍于3.1V、3.3V或3.6V的電源電壓。當電池電壓超過目標電壓軌時，根據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、反向轉換器(Flyback Converter)或級聯式升、降壓轉換器。每種解決方案都各有其自身的優劣勢，但都無法同時實現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轉換器TPS63000。該轉換器具有4個組合了獨特控制設計的集成主電源FET。由于解決了現有解決方案的效率降低問題，當電池電壓與輸出電壓相同或相近時(Vbat=Vrail)，優化后的效率最高可達96%。這意味著什么？首先，與現有解決方案相比，其效率提高了2%~6%；其次，更為重要的是這種效率優勢能夠體現在整個電池電壓范圍內。

    這樣就實現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/應用工作時間及待機時間。

    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，可預設輸出電壓(如3.3V)來使總體組件數減少到4個：IC+電感器+2個電容器。

    本文小結

    便攜式應用的電源管理正向效率更高、體積更小、更加靈活的方向發展。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、數字處理器及其模擬電源管理組件之間的通信都將實現全面的提升。

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