利用電源管理IC應(yīng)對便攜式設(shè)計(jì)的功耗挑戰(zhàn)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
過去數(shù)年間，功率半導(dǎo)體制造商推出了大量電源管理IC(PMIC)，專門用于把便攜式消費(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”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)境的高度動態(tài)特性帶來了一些獨(dú)特的問題。
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)充電級別，雖然也可以由設(shè)計(jì)人員利用外部置位電阻來設(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，較高一級支持最大500毫安的負(fù)載，較低的第二級則常常設(shè)置在100mA。
當(dāng)端口源電流不足以滿足500mA級的要求時(shí)，系統(tǒng)微控制器就命令系統(tǒng)采用較低的充電級，以保證USB端口不會超載。這種兩級方案盡管可保護(hù)端口，但也可能無謂地延長了電池充電時(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，以此來解決這一問題。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)，電路以離散步長動態(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1：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)人員還可以通過選擇最適合自己應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器來解決這個(gè)問題。
轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率也是一個(gè)主要考慮因素。對于大多數(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。
射頻或音頻類型的電路，比如無線發(fā)射器、接收器或麥克風(fēng)，對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別的輸入輸出隔離。
雖然線性電壓調(diào)節(jié)器的效率比開關(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。這類電路的電流消耗一般相當(dāng)?shù)?，故對系統(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。電容兼容性也是一個(gè)問題：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，它會妨礙設(shè)計(jì)人員在需要時(shí)采用其他類型的電容嗎？
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)換器可用來支持1.2A和900mA的一系列負(fù)載。對于噪聲敏感的電路，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“寓豐富于簡潔”的理念。Linear公司的理念是，在不降低性能或延長設(shè)計(jì)周期的前提下集成更多的功能?！拔覀兊囊恍┛蛻舯硎?，他們不得不浪費(fèi)更多的設(shè)計(jì)時(shí)間來關(guān)閉部分PMIC中用不著的東西，只為了確保那些沒有用的功能不會干擾到有用的功能，”Linear公司的功率市場經(jīng)理Tony Armstrong稱?！拔覀儾幌Ｍ巡考愕锰珡?fù)雜，使它變成一個(gè)設(shè)計(jì)和版圖的噩夢?！?
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)基于硬盤驅(qū)動器的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。過去一年間，功率半導(dǎo)體制造商不斷推出專門瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用的范圍更廣泛的產(chǎn)品，以期簡化這一任務(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或其他更簡單的手持式設(shè)計(jì)。
鑒于目前市場上對更小外形尺寸的需求，散熱一直是一個(gè)令人頭痛的問題。大多數(shù)設(shè)計(jì)都無法添加散熱器，更遑論風(fēng)扇?！鞍讶齻€(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IC是否達(dá)到某個(gè)溫度閾值，并自動減小充電電流，以降低功耗。
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