面向新式 uP 的高性能、高集成度電源 IC ：打入工

背景

飛思卡爾、邁威爾、ARM 和其它半導(dǎo)體廠商設(shè)計的高電源效率微處理器 (uP/CPU) 系列在日益擴(kuò)充，目的是為多種無線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能的處理能力。這些微處理器產(chǎn)品開始時的設(shè)計意圖是幫助消費(fèi)電子產(chǎn)品 OEM 開發(fā)電池壽命更長、體積更小和更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的便攜式手持設(shè)備，同時提供增強(qiáng)的處理性能，以運(yùn)行功能豐富的多媒體消費(fèi)類應(yīng)用。

要實(shí)現(xiàn)更高的處理能力同時又不提高系統(tǒng)功耗，需要在電流日益提高的同時以更低的電壓工作?；蛘哂捎趹?yīng)用的需要，或者由于工藝技術(shù)的線寬，便攜式和嵌入式系統(tǒng)都含有各種為以不同電壓工作而優(yōu)化的組件。最終結(jié)果是，采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)需要大量大電流、低壓軌，典型情況為 1.8V 或更低。除了無數(shù)的低壓軌，這些應(yīng)用中很多還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅(qū)動器、存儲器、面向外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在嵌入式應(yīng)用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型 DC/DC 或 LDO 產(chǎn)生。

近來，這種同時要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)和醫(yī)療便攜式應(yīng)用。作為最新和功能豐富的高端消費(fèi)類便攜式設(shè)備，手持式數(shù)據(jù)收集設(shè)備、堅固耐用的庫存控制和跟蹤設(shè)備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式 EKG 設(shè)備以及其它便攜式醫(yī)療設(shè)備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設(shè)備必須堅固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜” 的。不過，在所有情況下，不管是什么應(yīng)用，要正確控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)，并確保用這些處理器可能實(shí)現(xiàn)的所有效率優(yōu)勢，必需有一個高度專業(yè)的、高性能電源管理伴隨 IC。

就便攜式應(yīng)用而言，主電源一般是大型單節(jié)鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產(chǎn)品中 3.3V 系統(tǒng)電源的電壓。諸如手持式終端、條碼掃描儀、RFID 閱讀器等應(yīng)用需要一個降壓-升壓型電源以產(chǎn)生 3.3V 軌。不管這類“便攜式”處理器系統(tǒng)是否是電池供電的，伴隨它們而來的其它復(fù)雜性包括：需要以特定順序?qū)λ须娫吹慕油ê蛿嚅_排序；視系統(tǒng)處理需求的不同而不同，要能夠動態(tài)地調(diào)高和調(diào)低電源電壓。就系統(tǒng)設(shè)計師而言，滿足所有微處理器和有關(guān)應(yīng)用的電源需求的單個集成式解決方案極其有利。要在多種應(yīng)用中滿足這些需求，就需要一個高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

降壓-升壓功能的設(shè)計挑戰(zhàn)

今天功能豐富的新式電子系統(tǒng)大多數(shù)仍然需要 +3V 范圍內(nèi)的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統(tǒng)中的 I/O 或者外部設(shè)備軌供電。在電源管理 IC (PMIC) 中集成同步降壓-升壓開關(guān)功能后，允許跨 2.7V 至 5.5V 的整個輸入電壓范圍以高效率實(shí)現(xiàn) 3.3V 調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設(shè)計實(shí)現(xiàn)高效率比簡單的降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器挑戰(zhàn)性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)時，更是這樣。

減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

很多任務(wù)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PMIC 都帶有各種內(nèi)置的線性穩(wěn)壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設(shè)計的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線性穩(wěn)壓器進(jìn)行正確管理，那么線性穩(wěn)壓器可能在 PC 板上產(chǎn)生局部的熱量“熱點(diǎn)”。或者，當(dāng)輸入和輸出電壓之差很大，和/或如果輸出電流很大時，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內(nèi)置低壓 uP 和具功能豐富的器件中，開關(guān)穩(wěn)壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關(guān)模式的電源越來越重要了。不過，LDO 提供低噪聲輸出和很高的 PSRR 性能，因此，必須評估這兩種權(quán)衡之策。在很多情況下，恰當(dāng)?shù)?IC 分區(qū)包括兩種類型的穩(wěn)壓器。

今天，幾乎所有應(yīng)用都對系統(tǒng)中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關(guān)工作電流的上升，用開關(guān)穩(wěn)壓器取代 LDO 變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因?yàn)閱蝹€ IC 散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執(zhí)行的處理操作的不同而不同，實(shí)現(xiàn)最佳功耗需要對很多內(nèi)核處理軌進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。要以較高的時鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務(wù)不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應(yīng)的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要動態(tài)調(diào)節(jié)處理器電壓源需要諸如 I2C 這樣的串行端口來通報所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個同樣靈活和可編程的電源解決方案。

便攜式醫(yī)療和工業(yè)儀器中的電源管理問題

如同其它很多應(yīng)用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其它很多應(yīng)用不同，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運(yùn)行時間和堅固性標(biāo)準(zhǔn)。這種負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確工作，而且視設(shè)計和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護(hù)設(shè)備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時最大限度地延長工作時間，并確保無論何時，只要有效電源存在，就能可靠運(yùn)行。此外，功率值隨著功能和有關(guān)電壓軌數(shù)量的增加而增加。除了遙遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用所需維護(hù)要少、能承受極端的溫度變化以及受到機(jī)械振動或沖擊時不會損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設(shè)備與醫(yī)療設(shè)備有很多相同的要求。

總之，系統(tǒng)設(shè)計師面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
• 集成降壓-升壓型穩(wěn)壓器
• 在功耗與多個開關(guān)穩(wěn)壓器及 LDO 的高集成度之間權(quán)衡
• 集成動態(tài) I2C 控制
• 工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和堅固性要求
• 解決方案尺寸和占板面積

一個簡單的解決方案

過去的工業(yè) PMIC 沒有足夠的功率來應(yīng)對這些新式系統(tǒng)和微處理器。滿足上述電源管理 IC 設(shè)計限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO；以諸如降壓-升壓型穩(wěn)壓器等難以使用的功能構(gòu)件對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動態(tài) I2C 控制。此外，一個具有高開關(guān)頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。

LTC3589 － 面向新式處理器的大功率 PMIC

LTC®3589 是一個完整的電源管理解決方案，面向基于 ARM 的處理器和先進(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。該器件含有：3 個同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，分別用于內(nèi)核、存儲器和 SoC 軌；一個同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器，用于 2.5V 至 5V 的 I/O；3 個 250mA 的 LDO 穩(wěn)壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C 串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動、輸出電壓值、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換率、工作模式以及狀態(tài)報告。以所希望的順序?qū)⒎€(wěn)壓器輸出連接到使能引腳或通過 I2C 端口，可對穩(wěn)壓器啟動排序。通過一個按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口，可控制系統(tǒng)的加電、斷電及復(fù)位功能。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個使能序列之前確保一個干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如存儲器，當(dāng)其必須在停機(jī)模式中保持運(yùn)行時)。LTC3589 以 8 個獨(dú)立軌、恰當(dāng)?shù)墓β手?、動態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其它特點(diǎn)包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號，該引腳同時在多達(dá) 4 個軌上、于設(shè)定的運(yùn)行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露焊盤 QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 的簡化方框圖