用于移動微處理器的高性能、集成化電源IC：并非僅適合便攜式設備

　　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線、嵌入式和網(wǎng)絡應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設備制造商 (OEM) 能夠開發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長電池使用壽命的便攜手持式設備，同時提供增強型處理性能以運行多功能多媒體應用程序。近來，對這種高效率和處理性能組合的需求也擴展到了非便攜式應用領域。汽車信息娛樂系統(tǒng)和其他嵌入式應用所要求的效率和處理能力水平與最新的高端便攜式設備相似。然而在所有的場合中，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實現(xiàn)，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的，這與應用無關。

　　要想在不增加系統(tǒng)功耗的情況下實現(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作 (由于應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，很多此類應用還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，用于給大型便攜式硬盤驅動器、存儲器和外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在汽車或嵌入式應用中，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 來產(chǎn)生 (視電流要求而定)。

　　就便攜式應用而言，主電源通常是一個大的單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池，它可以具有一個高于或低于產(chǎn)品中的 3.3V 系統(tǒng)電源的電壓。此類應用 (例如：手持終端、條形碼掃描儀、RFID 閱讀器等) 需要一個降壓-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) 的額外復雜性包括：必需以某種特定的次序對所有電源的接通和關斷操作進行排序，而且要能夠根據(jù)系統(tǒng)的處理要求動態(tài)地進行電源電壓的上升/下降調節(jié)。對系統(tǒng)設計師而言，由單個集成化解決方案來滿足所有微處理器及相關應用電路的電源需要是一項巨大的優(yōu)勢。如欲在眾多的應用中處理這些要求，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。

　　設計挑戰(zhàn)

　　降壓-升壓能力

　　當今的大多數(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系統(tǒng)中的 I/O 或某個外設電壓軌供電。把同步降壓-升壓開關操作功能集成到電源管理 IC (PMIC) 之中將在整個輸入電壓范圍內 (2.7V 至 5.5V) 實現(xiàn) 3.3V 穩(wěn)壓和高效率，從而增加操作裕度。然而，相比于簡單的降壓型 DC-DC 轉換器，采用降壓-升壓型設計來實現(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載階躍瞬態(tài)響應的場合。

　　作為許多汽車電源的起點，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。除了噪聲以外，這種 12V“電源”還會受到反向電池情況或負載突降的影響，在這些場合中電壓有可能在 -36V 至 80V 的范圍內變化，甚至出現(xiàn)尖峰。適合這些系統(tǒng)的理想電源必須保護其自身和應用電路免遭上述苛刻電氣條件的損壞，同時提供穩(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 的結溫也有可能接近 125°C，因而要求 -40°C 至 +125°C 結溫范圍內的電源穩(wěn)定性和堅固的過熱保護功能。鑒于這些嚴酷的條件，通常在給 PMIC 供電之前將該系統(tǒng)/電池電壓預先調節(jié)至 3.3V 或 5V。在許多場合中，這些中間電源會由于冷車發(fā)動和嚴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，可確保與處理器系統(tǒng)相關聯(lián)的 3.3V 關鍵電壓軌不會觸發(fā)上電復位。

　　減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

　　許多業(yè)界標準 PMIC 都具有多種內置線性穩(wěn)壓器。不過，如果未借助充足的銅走線排布、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流水平進行正確的管理，則線性穩(wěn)壓器有可能在 PC 板自身上產(chǎn)生局部“熱點”。另一方面，當輸入和輸出電壓的差異很大和/或輸出電流很大時，開關穩(wěn)壓器則提供了一種更加有效的降壓方法。在現(xiàn)今具有內置低電壓微處理器的多功能設備中，PMIC的使用很普遍。因此，實現(xiàn)針對大多數(shù)電壓軌的開關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，所以必須對權衡結果進行評估。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。

　　事實上，如今所有的應用對系統(tǒng)中的熱量均很敏感。隨著處理性能和相關工作電流的提升，使用開關穩(wěn)壓器來替代 LDO 變得越來越重要。在高集成度電源中情況尤其如此，因為單通道 IC 在其功率耗散能力方面受到限制。此外，實現(xiàn)最佳功率耗散還要求許多內核處理電壓軌根據(jù)所執(zhí)行的處理操作進行動態(tài)調節(jié)。較高的電源電壓是實現(xiàn)較高時鐘速率操作所必需的。同樣，對于處理密集性不太高的操作模式，非常低的電壓就足夠了。由于對應的電源電流往往會跟蹤輸入電源電壓，因此以盡可能低的電源電壓來運作處理器是最理想的。處理器電壓電源的動態(tài)調節(jié)需要一個串行端口 (例如：I2C) 以傳遞變化。實際上，目前所有的高端便攜式處理器均支持該功能 —— 不過，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，系統(tǒng)設計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 (整合多個開關穩(wěn)壓器和 LDO) 之間實現(xiàn)平衡
• 　　汽車系統(tǒng)的電壓瞬變和極端溫度
• 　　集成動態(tài) I2C 控制
• 　　解決方案外形尺寸和占板面積

　　一款簡單的解決方案

　　過去，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 設計約束條件的任何解決方案都必須擁有高集成度，內置大電流開關穩(wěn)壓器和 LDO、主要參數(shù)的動態(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，具高開關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)過預先調節(jié)的系統(tǒng)或電池電壓。

　　一款適合當今 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 個用于內核、存儲器和片上系統(tǒng) (SoC) 電壓軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器、1 個用于 2.5V 至 5V I/O 的同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器、以及 3 個用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩(wěn)壓器。一個 I2C 串行端口用于控制穩(wěn)壓器啟用、輸出電壓電平、動態(tài)電壓調節(jié)和轉換速率、操作模式和狀態(tài)報告。穩(wěn)壓器啟動操作的排序通過以期望的次序將穩(wěn)壓器輸出連接至啟用引腳或通過 I2C 端口來完成。系統(tǒng)上電、斷電和復位功能受控于一個按鈕接口、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啟用序列之前完成一個干凈的斷電操作，而且，當系統(tǒng)必須在待機模式中保持運行狀態(tài)時，選定的穩(wěn)壓器可以免除電源的按鈕控制 (比如：存儲器)。LTC3589 支持 i.MX, PXA 和 OMAP 處理器，具有8 個位于合適功率電平的獨立電壓軌以及動態(tài)控制和排序功能。其他特點包括接口信號，例如：同時在多達 4 個電壓軌上進行編程運行與待機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 簡化方框圖

　　高集成度 —— 支持多個高功率電壓軌

　　LTC3589 是一款適合便攜式微處理器和外設的完整電源管理解決方案。它總共產(chǎn)生了 8 個電壓軌，用于給處理器內核、SDRAM、系統(tǒng)存儲器、PC 卡、始終保持接通的實時時鐘和硬盤驅動器 (HDD) 功能部件供電。負責給電壓軌供電的是一個始終保持接通的低靜態(tài)電流 25mA LDO、一個 1.6A 和兩個 1A 降壓型穩(wěn)壓器、一個 1.2A 降壓-升壓型穩(wěn)壓器和三個 250mA 低壓差線性穩(wěn)壓器。為多個穩(wěn)壓器提供支持的是一種高度可配置的電源排序功能、動態(tài)電壓轉換 DAC 輸出電壓控制、一