用于移動(dòng)微處理器的高性能、集成化電源IC：并非僅適合便攜式設(shè)備

　　背景

　　飛思卡爾 (Freescale)、英特爾 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微處理器，此類仍在不斷發(fā)展壯大的微處理器專為給眾多無(wú)線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能處理而設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設(shè)備制造商 (OEM) 能夠開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長(zhǎng)電池使用壽命的便攜手持式設(shè)備，同時(shí)提供增強(qiáng)型處理性能以運(yùn)行多功能多媒體應(yīng)用程序。近來(lái)，對(duì)這種高效率和處理性能組合的需求也擴(kuò)展到了非便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)和其他嵌入式應(yīng)用所要求的效率和處理能力水平與最新的高端便攜式設(shè)備相似。然而在所有的場(chǎng)合中，為了正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)、并確保利用這些處理器有可能獲得的所有效率提升均能夠?qū)崿F(xiàn)，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的，這與應(yīng)用無(wú)關(guān)。

　　要想在不增加系統(tǒng)功耗的情況下實(shí)現(xiàn)較高的處理能力，就必需在電流不斷增大的條件下降低工作電壓。便攜式和嵌入式系統(tǒng)均包括多種專為在不同的電壓條件下運(yùn)作 (由于應(yīng)用的需要或者加工工藝線寬的原因) 而優(yōu)化的元件。最終的結(jié)果是：采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)將需要許多大電流、低電壓軌 —— 通常為 1.8V 或更低。除了大量的低電壓軌之外，很多此類應(yīng)用還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，用于給大型便攜式硬盤驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器和外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在汽車或嵌入式應(yīng)用中，所有與處理器直接相連的電源電壓均可采用高效率降壓型 DC-DC 或 LDO 來(lái)產(chǎn)生 (視電流要求而定)。

　　就便攜式應(yīng)用而言，主電源通常是一個(gè)大的單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池，它可以具有一個(gè)高于或低于產(chǎn)品中的 3.3V 系統(tǒng)電源的電壓。此類應(yīng)用 (例如：手持終端、條形碼掃描儀、RFID 閱讀器等) 需要一個(gè)降壓-升壓型電源以產(chǎn)生 3.3V 電壓軌。這些“便攜式”處理器系統(tǒng) (不管是否采用電池供電) 的額外復(fù)雜性包括：必需以某種特定的次序?qū)λ须娫吹慕油ê完P(guān)斷操作進(jìn)行排序，而且要能夠根據(jù)系統(tǒng)的處理要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行電源電壓的上升/下降調(diào)節(jié)。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，由單個(gè)集成化解決方案來(lái)滿足所有微處理器及相關(guān)應(yīng)用電路的電源需要是一項(xiàng)巨大的優(yōu)勢(shì)。如欲在眾多的應(yīng)用中處理這些要求，則需要一款高度靈活、可編程和高效的多輸出電源解決方案。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　降壓-升壓能力

　　當(dāng)今的大多數(shù)新式多功能電子系統(tǒng)仍然需要 +3V 范圍的電壓軌，例如：用于給汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)中的 I/O 或某個(gè)外設(shè)電壓軌供電。把同步降壓-升壓開(kāi)關(guān)操作功能集成到電源管理 IC (PMIC) 之中將在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi) (2.7V 至 5.5V) 實(shí)現(xiàn) 3.3V 穩(wěn)壓和高效率，從而增加操作裕度。然而，相比于簡(jiǎn)單的降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，采用降壓-升壓型設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率所面臨的挑戰(zhàn)要大得多，特別是在要求低噪聲和上佳負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)的場(chǎng)合。

　　作為許多汽車電源的起點(diǎn)，12V 汽車電池與這些系統(tǒng)所需要的低噪聲、穩(wěn)定電源相去甚遠(yuǎn)。除了噪聲以外，這種 12V“電源”還會(huì)受到反向電池情況或負(fù)載突降的影響，在這些場(chǎng)合中電壓有可能在 -36V 至 80V 的范圍內(nèi)變化，甚至出現(xiàn)尖峰。適合這些系統(tǒng)的理想電源必須保護(hù)其自身和應(yīng)用電路免遭上述苛刻電氣條件的損壞，同時(shí)提供穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。汽車環(huán)境中的散熱條件同樣具有挑戰(zhàn)性；即使在 85°C 的環(huán)境溫度下，PMIC 的結(jié)溫也有可能接近 125°C，因而要求 -40°C 至 +125°C 結(jié)溫范圍內(nèi)的電源穩(wěn)定性和堅(jiān)固的過(guò)熱保護(hù)功能。鑒于這些嚴(yán)酷的條件，通常在給 PMIC 供電之前將該系統(tǒng)/電池電壓預(yù)先調(diào)節(jié)至 3.3V 或 5V。在許多場(chǎng)合中，這些中間電源會(huì)由于冷車發(fā)動(dòng)和嚴(yán)重噪聲瞬變的原因而遭到毀壞。降壓-升壓型電源在這里同樣具有優(yōu)勢(shì)，可確保與處理器系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的 3.3V 關(guān)鍵電壓軌不會(huì)觸發(fā)上電復(fù)位。

　　減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

　　許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) PMIC 都具有多種內(nèi)置線性穩(wěn)壓器。不過(guò)，如果未借助充足的銅走線排布、散熱器或良好設(shè)計(jì)的輸入/輸出電壓和輸出電流水平進(jìn)行正確的管理，則線性穩(wěn)壓器有可能在 PC 板自身上產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”。另一方面，當(dāng)輸入和輸出電壓的差異很大和/或輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器則提供了一種更加有效的降壓方法。在現(xiàn)今具有內(nèi)置低電壓微處理器的多功能設(shè)備中，PMIC的使用很普遍。因此，實(shí)現(xiàn)針對(duì)大多數(shù)電壓軌的開(kāi)關(guān)模式電源的必要性正日益提高。然而，LDO 卻提供了低噪聲輸出和卓越的電源抑制比 (PSRR) 性能，所以必須對(duì)權(quán)衡結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。在許多情況下，正確的 IC 使用分配包括 DC/DC 和線性穩(wěn)壓器。

　　事實(shí)上，如今所有的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)中的熱量均很敏感。隨著處理性能和相關(guān)工作電流的提升，使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)替代 LDO 變得越來(lái)越重要。在高集成度電源中情況尤其如此，因?yàn)閱瓮ǖ?IC 在其功率耗散能力方面受到限制。此外，實(shí)現(xiàn)最佳功率耗散還要求許多內(nèi)核處理電壓軌根據(jù)所執(zhí)行的處理操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。較高的電源電壓是實(shí)現(xiàn)較高時(shí)鐘速率操作所必需的。同樣，對(duì)于處理密集性不太高的操作模式，非常低的電壓就足夠了。由于對(duì)應(yīng)的電源電流往往會(huì)跟蹤輸入電源電壓，因此以盡可能低的電源電壓來(lái)運(yùn)作處理器是最理想的。處理器電壓電源的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需要一個(gè)串行端口 (例如：I2C) 以傳遞變化。實(shí)際上，目前所有的高端便攜式處理器均支持該功能 —— 不過(guò)，要想利用它還需要一種同樣靈活和可編程的電源解決方案。

　　概括起來(lái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

• 　　降壓-升壓型穩(wěn)壓器的集成
• 　　在功率耗散和高集成度 (整合多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO) 之間實(shí)現(xiàn)平衡
• 　　汽車系統(tǒng)的電壓瞬變和極端溫度
• 　　集成動(dòng)態(tài) I2C 控制
• 　　解決方案外形尺寸和占板面積

　　一款簡(jiǎn)單的解決方案

　　過(guò)去，PMIC 不具備處理這些新式系統(tǒng)和微處理器所需的足夠功率。旨在滿足上述電源管理 IC 設(shè)計(jì)約束條件的任何解決方案都必須擁有高集成度，內(nèi)置大電流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO、主要參數(shù)的動(dòng)態(tài) I2C 控制電路、以及諸如降壓-升壓型穩(wěn)壓器等“難以完成的”功能電路模塊。此外，具高開(kāi)關(guān)頻率的器件還可縮減外部元件的尺寸，而陶瓷電容器則能減小輸出紋波。這樣的一款 IC 還必須適合苛刻的汽車環(huán)境，盡管輸入電壓通常取自經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)的系統(tǒng)或電池電壓。

　　一款適合當(dāng)今 Xscale 和 ARM 處理器的高功率 PMIC

　　LTC3589 是一款適合 ARM 處理器和先進(jìn)便攜式微處理器系統(tǒng)的完整電源管理解決方案。該器件包含 3 個(gè)用于內(nèi)核、存儲(chǔ)器和片上系統(tǒng) (SoC) 電壓軌的同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)用于 2.5V 至 5V I/O 的同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器、以及 3 個(gè)用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩(wěn)壓器。一個(gè) I2C 串行端口用于控制穩(wěn)壓器啟用、輸出電壓電平、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換速率、操作模式和狀態(tài)報(bào)告。穩(wěn)壓器啟動(dòng)操作的排序通過(guò)以期望的次序?qū)⒎€(wěn)壓器輸出連接至啟用引腳或通過(guò) I2C 端口來(lái)完成。系統(tǒng)上電、斷電和復(fù)位功能受控于一個(gè)按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監(jiān)視器和有源放電電路保證在下一個(gè)啟用序列之前完成一個(gè)干凈的斷電操作，而且，當(dāng)系統(tǒng)必須在待機(jī)模式中保持運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，選定的穩(wěn)壓器可以免除電源的按鈕控制 (比如：存儲(chǔ)器)。LTC3589 支持 i.MX, PXA 和 OMAP 處理器，具有8 個(gè)位于合適功率電平的獨(dú)立電壓軌以及動(dòng)態(tài)控制和排序功能。其他特點(diǎn)包括接口信號(hào)，例如：同時(shí)在多達(dá) 4 個(gè)電壓軌上進(jìn)行編程運(yùn)行與待機(jī)輸出電壓之間變換的 VSTB 引腳。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露襯墊 QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 簡(jiǎn)化方框圖

　　高集成度 —— 支持多個(gè)高功率電壓軌

　　LTC3589 是一款適合便攜式微處理器和外設(shè)的完整電源管理解決方案。它總共產(chǎn)生了 8 個(gè)電壓軌，用于給處理器內(nèi)核、SDRAM、系統(tǒng)存儲(chǔ)器、PC 卡、始終保持接通的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD) 功能部件供電。負(fù)責(zé)給電壓軌供電的是一個(gè)始終保持接通的低靜態(tài)電流 25mA LDO、一個(gè) 1.6A 和兩個(gè) 1A 降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè) 1.2A 降壓-升壓型穩(wěn)壓器和三個(gè) 250mA 低壓差線性穩(wěn)壓器。為多個(gè)穩(wěn)壓器提供支持的是一種高度可配置的電源排序功能、動(dòng)態(tài)電壓轉(zhuǎn)換 DAC 輸出電壓控制、一