應用處理器專用電源設計

在為智能電話開發(fā)一款集成電路時，一個小的解決方案尺寸是最重要的設計參數(shù)。其他重要的參數(shù)包括高效率、靈活性以及外部組件的數(shù)量。但是，在導航系統(tǒng)中，由于較大尺寸的顯示屏以及外形尺寸，因此與純手持終端應用相比，其對空間的要求就顯得不那么關鍵了。根據(jù)設計，由于手持終端設備、導航系統(tǒng)每次只能運行數(shù)個小時，因此將他們與汽車的儀表板相連，并由一個連接至汽車蓄電池的 12 V 適配器來供電是極為常見的。該適配器通常包括一個為導航系統(tǒng)的輸入提供 5V DC 電壓的預調節(jié)器。這樣就可以使用一個專用電源輸入或 USB 連接器進行供電。輸入電壓通常用于為一個鋰離子電池充電。有兩種不同的電池充電器概念，即具有電源通道的電池充電器和不具有電源通道的電池充電器。

圖 1 不具有電源通道的充電器

圖 2 具有電源通道的充電器

兩者最主要的不同之處在于電池連接至負載的方法不同。對于不具有電源通道的充電器而言，電池直接連接至負載，且充電器所提供的電流在負載和電池之間進行拆分。如果應用被關閉且沒有負載電流，那么充電器所提供的所有電流則全部用于為電池充電。如果應用被開啟，則充電電流就會減少且部分電流將用于為應用供電。雖然這一概念非常簡單，但是我們無法預測進入電池的充電電流。只有當電池和應用充電器的總輸出電流為已知時，才可對進入電池的充電電流進行預測。

第二種充電器拓撲結構包含了一個所謂的電源通道。電池由一個開關與負載隔離開來，如果充電器上沒有輸入電壓，那么開關將關閉且電池與輸出連接，從而為應用供電。在與一個外部電源連接以后，電池和功率輸出之間的開關將開啟，且充電器輸入和功率輸出之間的第二個開關將被關閉。該輸入電壓要么被直接連接至輸出，要么被預調節(jié)至高于電池電壓的 100mV 左右或調節(jié)至一個穩(wěn)壓。第二種電路可獨立為電池充電。具有電源通道的充電器提供了限制輸入電流、汽車適配器電流或 USB 總線電流的選項?？梢詫Τ潆婋娏鬟M行單獨設置。這一概念具有諸多優(yōu)點：

于電源而言，根據(jù)所使用的充電器的類型的不同，輸入電壓范圍也不盡相同。 最低的工作電壓通常由鋰離子電池的最低電壓定義，其可能會低至 3.0V 標準鋰離子電池的電壓。最高的電壓則取決于充電器，對于那些不具有電源通道的充電器而言，最高的電壓與最高的電池電壓相等，通常為 4.2V。由于電源通道激活，電壓可能會上升至 5V 以上，因此，理想的狀況是擁有一個在整個輸入電壓范圍內都具有良好效率的電源。如果在一個電源芯片上集成了低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO)，這就顯得至關重要了，因為其效率主要取決于旁路元件兩端的電壓，該電壓由輸入和輸出電壓之間的差來定義的。

對一塊集成電路來說，總會存在是否要集成充電器的問題。即使能夠將為一種應用供電所需的全部電路都包括到一個小型器件中，這種解決方案也存在折衷處理和缺乏靈活性的問題。從功耗和布局的角度來看，不在電源管理單元 (PMU) 中集成電池充電器的解決方案是可行的。充電器能夠適應于可用輸入源和更具使用靈活性的電池?？蓪⑦@種充電器靠近電池或者輸入連接器放置，同時可以將 PMU 靠近處理器放置來獲得供電。

另外，還有一些解決方案，它們不但集成了如音頻放大器和音頻 CODEC 的模塊，同時還集成了顯示器及顯示器背光電源。與充電器一樣，這些附加模塊也面臨同樣的問題。一個集成了各種模塊的器件從一個用于許多不同應用的靈活解決方案轉向一種用戶特定器件，使得在沒有損害某些參數(shù)的情況下適應于不同應用變得困難。具有限制功能的器件可在終端上提供較高的靈活性。在以下例子中，顯示了一種專門用于某種應用和/或某些處理器的器件。TI 的 TPS65024x 系列電源管理單元專門優(yōu)化用于處理器的輸出電流能力和輸出電壓。當然，這種器件并不是不能被用于為其他設備供電，而是說將其專門用于處理器只需要少量的外部組件。

TPS65024x 系列電源管理單元包括三個專門用于 I/O、存儲器和手持設備內核電壓的降壓轉換器。另外，還有三個要求具有極低紋波或低電流電壓軌的LDO。兩個 LDO（LDO1 和 LDO2）可以提供一個 200mA 的輸出電流，同時第三個 LDO（LDO3）專門用于一個電壓軌 (Vdd_alive)，即使在應用處理器處于睡眠模式的情況下也需要開啟該電壓軌。輸出電流能力為 30mA，LDO3 的電源電流僅為 10uA，其將來自于處于睡眠模式下的電池的電流保持盡可能的小。

一般而言，寬范圍輸出電流的高效率是許多電池供電應用的關鍵。因此，所有設備要進行優(yōu)化，以用于低靜態(tài)電源電流，即未向輸出提供任何電流但卻仍然維持輸出電壓的芯片所需要的電流。對于那些長期在待機模式下工作的應用而言，這一參數(shù)至關重要。低靜態(tài)電源電流不僅延長了待機時間（在應用不需要任何電源電流的情況下），而且在提到極低 DC/DC 轉換器輸出電流條件下的效率時這也是一個重要的參數(shù)。

DC/DC 轉換器（例如：降壓轉換器）的效率受到三個因素的影響。在高輸出電流條件下，效率主要由內部電源開關電阻決定，因此低電阻在該工作范圍內非常重要。在降壓轉換器中，工作在固定頻率脈寬調制模式 (PWM) 下時，占空比取決于輸入－輸出電壓比。對低輸出電壓而言，同高側開關 (PMOS) 相比，內部低側開關 (NMOS) 的開啟時間更長，而對于高輸出電壓而言，高側開關在大多數(shù)時間內均被開啟。因此，適應這種尺寸以及其面向轉換器輸出電壓開關的電阻是非常具有意義的。當然，假設條件是輸入電壓對于所有轉換器而言（通常為一節(jié)鋰離子電池或來自墻上電源適配器的一個固定電壓）都相同。

對于 10mA 到 200mA 范圍的輸出電流而言，開關電阻不再是出現(xiàn)損耗的主要原因。取而代之的是電源開關柵極電荷和電感損耗決定了效率的高低。使開關頻率適應輸出電流是在該工作范圍（被稱為“脈沖頻率調制” (PFM)）內保持高效率的關鍵技術。PFM 只向輸出提供恒定能量。這就帶來高輸出電流下的高開關頻率，以及低輸出電流下的低開關頻率和隨之而來的低開關損耗。在轉換器極低輸出電流條件下，由靜態(tài)電源電流引起的持續(xù)損耗決定了上述效率的高低。所有 TPS65024x 系列產品均是以這種最小化損耗的方法來設計，從而帶來寬電壓和電流范圍的最佳效率。表 1 是對 TPS5024x 系列產品的縱覽，圖 3 則顯示了其結構圖。

表1 TPS65024x 的選項

圖 3 TPS650240 結構圖

圖 3 中所顯示的這種器件專門優(yōu)化用于三星公司的應用處理器，這種處理器在低功耗模式下需要一個 1.0V 的內核電壓，在正常工作模式下則需要一個 1.3V 的內核電壓。為了最小化外部組件使用數(shù)量，降壓轉換器 1 擁有一個 3.3V 的固定電壓，或一個用于 I/O 電壓的 2.8V 輸出。轉換器 2 提供了 2.5V 或 1.8V 的存儲器電壓。轉換器 3 的輸出電壓可以在 1.0V 和 1.3V 之間進行切換，其取決于被稱為 DEFDCDC3 的數(shù)字輸入狀態(tài)。因此，無需外部組件來為降壓轉換器 1 和 2 設置電壓。為了保持靈活性，可以連接一個外部電壓分配器來在 0.6V至輸入電壓 (Vbat) 范圍內設置轉換器 1 和轉換器 2 的輸出電壓。圖 4 顯示了設置轉換器 1 和轉換器 2 輸出電壓的一些選項。

圖4 設置轉換器1 和轉換器2 上的輸出電壓

三個 LDO 中的兩個均具有一個單獨輸入電壓引腳，從而使它們可以在 1.5V 到 6.5V 的范圍內由任何輸入電壓來供電。LDO3 由輸入電壓引腳 Vcc 內部供電。另外，它還具有一個電壓比較器，其可以被用于探測電池電壓是否降至某一閾值以下，并向應用處理器發(fā)出告警。