利用電源管理IC應(yīng)對(duì)便攜式設(shè)計(jì)的功耗挑戰(zhàn)

    盡管手機(jī)設(shè)計(jì)人員不斷地將語(yǔ)音、相機(jī)、GPS及其他功能集成在一個(gè)不超過(guò)半英寸厚的外殼中，便攜式媒體播放器設(shè)計(jì)者將微控制器、硬驅(qū)和音頻電路等整合在口袋大小的封裝中，但是便攜式設(shè)計(jì)集成多種功能的壓力仍然巨大。

    過(guò)去數(shù)年間，功率半導(dǎo)體制造商推出了大量電源管理IC(PMIC)，專(zhuān)門(mén)用于把便攜式消費(fèi)電子系統(tǒng)中的主要功能集中在單芯片中。這些芯片一般集成有一個(gè)電池充電器、一或多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，有時(shí)候還有多個(gè)低壓降調(diào)節(jié)器(LDO)，用以處理當(dāng)前日益纖巧化的消費(fèi)電子設(shè)備中的各種功率功能。

    鑒于“移動(dòng)”計(jì)算的要求，PMIC中的大部分充電電路都同時(shí)支持USB充電和交流適配器電源充電。然而，USB端口上的功率環(huán)境的高度動(dòng)態(tài)特性帶來(lái)了一些獨(dú)特的問(wèn)題。

    為了確保USB端口的完整性，大部分充電電路都包含了端口保護(hù)機(jī)制。廠商一般提供兩個(gè)充電級(jí)別，雖然也可以由設(shè)計(jì)人員利用外部置位電阻來(lái)設(shè)定，但通常在工廠就已預(yù)設(shè)好。按照USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，較高一級(jí)支持最大500毫安的負(fù)載，較低的第二級(jí)則常常設(shè)置在100mA。

    當(dāng)端口源電流不足以滿足500mA級(jí)的要求時(shí)，系統(tǒng)微控制器就命令系統(tǒng)采用較低的充電級(jí)，以保證USB端口不會(huì)超載。這種兩級(jí)方案盡管可保護(hù)端口，但也可能無(wú)謂地延長(zhǎng)了電池充電時(shí)間。

    某些PMIC廠商目前利用嵌入式智能電路提高快速充電周期的效率，以此來(lái)解決這一問(wèn)題。這些電路不斷監(jiān)控USB端口上的電壓。當(dāng)功率被拉離端口轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他系統(tǒng)任務(wù)，同時(shí)端口不再提供滿500mA電流時(shí)，電路以離散步長(zhǎng)動(dòng)態(tài)向下調(diào)節(jié)快速充電電流，直到USB端口上的電壓下降到可用功率以下。一般采用一個(gè)反饋環(huán)路來(lái)補(bǔ)償電壓下降，以完成部件的調(diào)節(jié)。

輕載效率

    大多數(shù)用于便攜式消費(fèi)應(yīng)用產(chǎn)品的新型PMIC都包括一個(gè)或多個(gè)步降DC/DC轉(zhuǎn)換器，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)微控制器、內(nèi)存、硬驅(qū)及其他I/O設(shè)備。由于這些系統(tǒng)中的鋰離子電池提供的電壓平均為3.6V，而且大部分內(nèi)核微控制器都是設(shè)計(jì)來(lái)工作在十分低的電壓之下的，故設(shè)計(jì)人員必須盡可能高效地步降工作電壓，以盡量延長(zhǎng)兩次充電之間的運(yùn)行時(shí)間。輕載條件下轉(zhuǎn)換器效率的重要性有時(shí)容易被忽略掉。由于便攜式設(shè)備一般大部分時(shí)間都處于待機(jī)模式和突發(fā)激活使用模式下，故大多數(shù)系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)換器能夠在兩種使用情況下都能以高效率提供功率。

    圖：Maxim的 MAX8662/3部件在一塊單芯片上集成了1個(gè)USB/AC 充電器、2個(gè)步降DC/DC 轉(zhuǎn)換器，4個(gè)LDO和1個(gè)步升DC/DC 轉(zhuǎn)換器，是便攜式系統(tǒng)功率集成的典型范例。

    對(duì)大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電流小于100mA時(shí)，效率曲線出現(xiàn)急劇下降。許多PMIC制造商現(xiàn)在提供能夠同時(shí)工作在固定和可變頻率模式下的轉(zhuǎn)換器，以便在所有負(fù)載條件下都可以使效率最大化。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)選擇最適合自己應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

    轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率也是一個(gè)主要考慮因素。對(duì)于大多數(shù)便攜式消費(fèi)產(chǎn)品而言，電路板占位空間很有限，每一毫米都不能浪費(fèi)。工作時(shí)開(kāi)關(guān)頻率較高的降壓轉(zhuǎn)換器可以結(jié)合外形尺寸較小的外部元件一起工作。

    射頻或音頻類(lèi)型的電路，比如無(wú)線發(fā)射器、接收器或麥克風(fēng)，對(duì)電源的要求又大為不同。在這些領(lǐng)域，要防止噪聲傳播造成性能下降，高度隔離和低噪電源是至關(guān)重要的。例如，在設(shè)計(jì)藍(lán)牙耳機(jī)的麥克風(fēng)拾音器電路時(shí)，就需要出色的低噪性能和高級(jí)別的輸入輸出隔離。

    雖然線性電壓調(diào)節(jié)器的效率比開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的要低得多，但它們卓越的低噪特性使其成為RF和音頻應(yīng)用中不可或缺的部件。這類(lèi)電路的電流消耗一般相當(dāng)?shù)停�故�?duì)系統(tǒng)范圍功率效率的影響通常都極小。

    在選擇片上集成了低壓降調(diào)節(jié)器的PMIC時(shí)，有必要考慮LDO是否能提供快速瞬態(tài)響應(yīng)及支持快速啟動(dòng)。電容兼容性也是一個(gè)問(wèn)題：調(diào)節(jié)器可以采用成本較低的低ESR陶瓷電容器嗎？若可以，它會(huì)妨礙設(shè)計(jì)人員在需要時(shí)采用其他類(lèi)型的電容嗎？

    一些PMIC廠商在單芯片中集成了大量的功能。例如，Maxim公司的MAX8662集成了1個(gè)USB/AC充電器和2個(gè)步降DC/DC轉(zhuǎn)換器、4個(gè)LDO及1個(gè)步升轉(zhuǎn)換器，可支持多達(dá)7個(gè)WLED或OLED顯示器。2個(gè)步降轉(zhuǎn)換器可用來(lái)支持1.2A和900mA的一系列負(fù)載。對(duì)于噪聲敏感的電路，4個(gè)LDO支持150mA 到 500mA的全線范圍負(fù)載。

    在同一領(lǐng)域，國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的LP3910整合了1個(gè)雙源鋰離子電池充電器、2個(gè)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓的降壓轉(zhuǎn)換器、1個(gè)寬負(fù)載范圍的帶有可編程輸出的降升轉(zhuǎn)換器，以及1個(gè)用于電池使用管理的4路8位A/D轉(zhuǎn)換器，可支持高性能媒體播放器及其他手持式設(shè)計(jì)。

    其他廠商則秉持“寓豐富于簡(jiǎn)潔”的理念。Linear公司的理念是，在不降低性能或延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期的前提下集成更多的功能。“我們的一些客戶表示，他們不得不浪費(fèi)更多的設(shè)計(jì)時(shí)間來(lái)關(guān)閉部分PMIC中用不著的東西，只為了確保那些沒(méi)有用的功能不會(huì)干擾到有用的功能，”Linear公司的功率市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong稱(chēng)。“我們不希望把部件搞得太復(fù)雜，使它變成一個(gè)設(shè)計(jì)和版圖的噩夢(mèng)。”

    Linear公司的高集成度PMIC-LTC3555，采用4mm x 5mm QFN封裝，集成了該公司的專(zhuān)利技術(shù)PowerPath管理電路和USB/AC充電器；3個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器，能夠分別提供1A、400mA和400mA的輸出電流，以及1個(gè)LDO。該器件瞄準(zhǔn)基于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的MP3 播放器、PDA、GPS設(shè)備及其他手持式應(yīng)用產(chǎn)品。

    當(dāng)然，理想上消費(fèi)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望找到能夠滿足自己應(yīng)用要求的最佳PMIC，包括占位面積和熱限制方面。過(guò)去一年間，功率半導(dǎo)體制造商不斷推出專(zhuān)門(mén)瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用的范圍更廣泛的產(chǎn)品，以期簡(jiǎn)化這一任務(wù)。

    Advanced Analogic Technologies的AAT2554就是一個(gè)佐證。AAT2554是AnalogicTech的SystemPower系列中的一款產(chǎn)品，其功能集瞄準(zhǔn)更低功率應(yīng)用，比如藍(lán)牙耳機(jī)、電表及其他超便攜式設(shè)備。這款PMIC采用16腳TDFN封裝，整合了1個(gè)500mA的電池充電器、1個(gè)250mA的步降轉(zhuǎn)換器和1個(gè)300mA的LDO。另一款同系列器件AAT2550采用4x4mm QFN封裝，集成了1個(gè)電池充電器和2個(gè)600mA的步降轉(zhuǎn)換器，可支持更高性能的MP3播放器、智能電話及其他便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)。

    類(lèi)似地，德州儀器的bq25015 和 bq25017在單芯片上帶有1個(gè)USB/AC充電器電路和1個(gè)300mA的轉(zhuǎn)換器，瞄準(zhǔn)的是空間受限的藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品。而且，Linear最近新推出一款更簡(jiǎn)單的PMIC，LTC3559，它在3 x 3-mm 的QFN封裝中集成了1個(gè)充電器和2個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，適合于基于RAM的MP3或其他更簡(jiǎn)單的手持式設(shè)計(jì)。

    鑒于目前市場(chǎng)上對(duì)更小外形尺寸的需求，散熱一直是一個(gè)令人頭痛的問(wèn)題。大多數(shù)設(shè)計(jì)都無(wú)法添加散熱器，更遑論風(fēng)扇。“把三個(gè)功耗相當(dāng)高的功能模塊集成在一起的挑戰(zhàn)之一是，它們可能產(chǎn)生更多的熱量，超出了封裝能夠處理的范圍。”AnalogicTech公司產(chǎn)品線主管Bill Weiss表示。

    為了防止過(guò)熱影響到降壓轉(zhuǎn)換器的性能或造成處理器的中斷，AnalogicTech的PMIC增加了一個(gè)數(shù)字熱控環(huán)路，其可以感測(cè)IC是否達(dá)到某個(gè)溫度閾值，并自動(dòng)減小充電電流，以降低功耗。

作者：John Mayer