復(fù)雜的移動終端產(chǎn)品系統(tǒng)級電源管理設(shè)計(jì)方法

　　引言：要想繼續(xù)保持較長的電池壽命，就必須改善設(shè)備的電源管理設(shè)計(jì)，更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項(xiàng)技術(shù)中，同時又不犧牲技術(shù)性能?；赟mart Mirror專有架構(gòu)的電源管理子系統(tǒng)IC就實(shí)現(xiàn)了一種系統(tǒng)級電源管理方法。

　　電池技術(shù)的進(jìn)步以及業(yè)界對具有低工作電壓的多電源域的需求正在對便攜式電子設(shè)備的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一些新的要求。

　　圖1：DA9025電源管理芯片。

　　在為手機(jī)、便攜式媒體播放器等電子設(shè)備中增加新功能時，要想繼續(xù)保持消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣的待機(jī)時間長度，就必須改善設(shè)備的電源管理設(shè)計(jì)。隨著多媒體音頻、視頻和游戲功能的日益普及，不可避免地導(dǎo)致系統(tǒng)電池消耗增大。用戶并不會注意到這些影響，所以制造商有責(zé)任延長設(shè)備(例如手機(jī))的待機(jī)時間，使其與上一代產(chǎn)品相當(dāng)。

　　在電池的化學(xué)特性方面，大多數(shù)用戶和專業(yè)移動應(yīng)用都選擇鋰離子或鋰聚合物這類基于鋰技術(shù)的電池，因?yàn)檫@類電池不但容量特性出色，而且能提供3.3V到4.2V的終端電壓范圍。為了最大程度地延長工作時間，IC電源電壓一直呈下降趨勢。

　　傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員可以在多個不同廠商生產(chǎn)的各種低集成度電源管理部件現(xiàn)貨中進(jìn)行選擇，因而產(chǎn)品開發(fā)速度很快。但隨著系統(tǒng)日益復(fù)雜，需要控制的地方越來越多，例如，通過關(guān)閉不用的功能以優(yōu)化電源效率，或者在同一塊IC上運(yùn)行多電源時確保正確而穩(wěn)定的操作。

　　復(fù)雜性提高更使得系統(tǒng)需要具備基本的電壓產(chǎn)生和調(diào)節(jié)功能。可通過給已用的部件增加額外元件來滿足這些要求，但這樣做難免會增加成本，更重要的是在很多情況下這會增大PCB面積。

　　因此必須更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項(xiàng)技術(shù)中，同時又不犧牲技術(shù)性能。例如，典型的手持設(shè)備中包含一塊鋰電池、主功能控制處理器、存儲器、外設(shè)(如顯示器)、內(nèi)存擴(kuò)展(SD或MMC卡等)，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或傳感器接口等模擬功能。

　　這種系統(tǒng)需具備多個不同的電源域，因?yàn)椴煌δ軌K有不同的電源要求。處理器通常需要兩個電源，低壓用于內(nèi)核以減小功耗，高壓用于連接其他設(shè)備。模擬功能需要較高的電源電壓，以保證足夠的工作余量或提供強(qiáng)大的輸出驅(qū)動，而且由于顯示器尺寸和復(fù)雜度不斷增大，顯示驅(qū)動也需要更高的電壓。

　　除了供電問題之外，設(shè)計(jì)人員還需要考慮以下問題：

　　系統(tǒng)怎樣上電：僅用一個機(jī)械開關(guān)就足夠還是需要電子方法上電，例如傳感器電路的輸出或報(bào)警信號；上電部件如何與控制器接口(典型的例子是兼具電源和其他功能的雙功能按鍵)?

　　當(dāng)電池電壓超出正常范圍內(nèi)時(電壓過高和電壓過低)會發(fā)生什么情況？不同電源如何排序？存在多電壓域時需要最先激活電壓最高的電源以避免IC死鎖。數(shù)據(jù)保持或休眠功能是否需要不間斷電源？如何在不取掉電池的情況下關(guān)斷系統(tǒng)？

　　解決以上這些問題可利用諸如上電復(fù)位(POR)電路、電池監(jiān)控IC和PLD等標(biāo)準(zhǔn)部件，不過這給系統(tǒng)增加了元件，使成本提高，而且占用更多的PCB面積。

　　從系統(tǒng)級角度考慮有助于在IC中集成更強(qiáng)大的功能。為了實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)級電源管理方法，Dialog Semiconductor設(shè)計(jì)了一系列電源管理子系統(tǒng)IC。

　　這些IC的種類范圍從簡單的單一功能器件，例如低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)或開關(guān)轉(zhuǎn)換器，到具備所有功能的精密復(fù)雜的SoC電源管理IC。DA9025就是其中一款，該器件能為鋰電池供電的便攜式應(yīng)用提供核心功能。芯片內(nèi)采用高效電路以便最大程度延長電池壽命，其核心功能(見圖1)是一個高效降壓變換器和5個低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，采用Dialog Semiconductor公司的Smart Mirror專有架構(gòu)。

　　DA9025直接與一個電池組連接，無論是否帶有控制器都能工作，而且能提供一種產(chǎn)生和控制多種系統(tǒng)電源的方法，主要針對采用單一鋰離子電源的便攜式應(yīng)用。在最簡單的系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)碾姵仉妷夯蚴鼓苄盘柧湍軉悠骷せ钏蟹€(wěn)壓器。

　　DA9025會持續(xù)工作，直到用戶使用ONKEY管腳關(guān)斷器件，或者發(fā)生錯誤狀況，例如電池電壓過低等。也可以將器件連接到一個微控制器，通過專用管腳進(jìn)行簡單控制，或通過I2C總線實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制。

　　DA9025中包含4個低壓差穩(wěn)壓器，這是專為系統(tǒng)不同部分提供穩(wěn)定電壓而設(shè)計(jì)的。這些穩(wěn)壓器已經(jīng)針對低噪聲、高電源抑制或低靜態(tài)電流等關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。其中有兩個LDO由于具有低噪聲以及超過80dB的電源抑制特性，因而可用于為音頻或RF電路供電。

　　給穩(wěn)壓器供電的電池部分是分開的，以達(dá)到最大程度的隔離。在I2C總線控制下，穩(wěn)壓器的輸出電壓也是可編程的。第五個集成穩(wěn)壓器用于為實(shí)時時鐘供電，當(dāng)電池被連接在器件上時，該穩(wěn)壓器就一直保持激活狀態(tài)，但其靜態(tài)電流極低。

　　除了4個穩(wěn)壓電源之外，DA9025中還包含一個1.8V 400mADC-DC降壓變換器。在許多系統(tǒng)中，降壓變換器都用于為系統(tǒng)處理器和存儲器供電。

　　可以根據(jù)負(fù)載電流大小將降壓變換器設(shè)置為同步或異步工作模式，以優(yōu)化工作效率。變換器中已經(jīng)集成了開關(guān)FET，因而需要的外部元件很少。在I2C總線的控制下，降壓變換器的輸出電壓也是可編程的，所以可用于為超低壓的處理器供電。

　　Smart Mirror技術(shù)

　　Smart Mirror是Dialog Semiconductor的一種獨(dú)特的技術(shù)，能根據(jù)負(fù)載需求的變化自動調(diào)整穩(wěn)壓器控制電路的偏壓。采用這種技術(shù)的穩(wěn)壓器能夠?qū)⑤敵鲭娏鞯男枨蠓答伣o偏壓發(fā)生器，在電流需求降低時自動減小偏壓，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電流的動態(tài)控制。

　　這使得穩(wěn)壓器在一個寬泛的工作電流范圍內(nèi)都具有很好的PSRR(電源電壓抑制)和動態(tài)性能，而不受通常的設(shè)計(jì)限制(除了負(fù)載最重的情況外一律采取過偏壓)。采用獨(dú)立的自適應(yīng)偏壓控制就不再需要低功耗工作模式，因而在電流需求較低時也不再需要用戶介入才能切換到低功耗模式。

　　這種自適應(yīng)偏壓確保穩(wěn)壓器始終處于最佳工作點(diǎn)，因此能提供最高級別的PSRR(通常高達(dá)80dB)，同時電流消耗最低。電源電壓抑制也在較大帶寬上保持更高的水平，在217Hz上Smart Mirror能提供超過90dB的PSRR；即使在10kHz上，PSRR仍高于60dB。

　　由于Smart Mirror是一種全自動偏壓控制技術(shù)，因而在零負(fù)載情況下靜態(tài)電流消耗很低(通常為15uA甚至更低)。而在傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器中，只有當(dāng)器件被軟件或硬件配置為低功耗或“ECO”模式時才可能達(dá)到如此低的靜態(tài)電流。而這使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，并且需要額外的軟件來控制，或增加管腳和PCB走線。

　　在最簡單的系統(tǒng)中，DA9025作為一個獨(dú)立器件工作(這種情況對沒有控制器的系統(tǒng)而言是理想配置)，提供6個預(yù)定義好的穩(wěn)壓電源。它支持便攜式應(yīng)用中常見的系統(tǒng)電壓，例如1.8V和2.8V。

　　不過，如果所有電壓都固定，缺乏靈活性就會削弱器件集成度增大所帶來的好處，因此，DA9025除了為基本電源管理提供組件模塊以外，還為適應(yīng)系統(tǒng)中常見的所有電源電壓提供多種不同的默認(rèn)電壓配置，包括1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。此外，如果默認(rèn)的電源啟動順序不合適，還可以選擇顛倒啟動順序。這些選擇確保所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處于最合適的電源電壓下。

　　該設(shè)計(jì)支持多種上電檢測可選方案(例如，可選擇輸入信號低電平或高電平有效)，還可提供系統(tǒng)復(fù)位信令，以及用于連接上電信號的開漏緩沖輸出。

　　精密比較器監(jiān)測電池狀態(tài)是否出現(xiàn)電壓過高或過低的情況，一旦出現(xiàn)這類情形，比較器就會將系統(tǒng)關(guān)斷。在系統(tǒng)激活時，電壓最高的電源最先激活，其他電源每隔200us激活一個，以便將穩(wěn)壓器對其充電電容器進(jìn)行穩(wěn)定和充電時的啟動電流降至最低。

　　另外，采用器件的總線還可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓編程和個別電源掉電控制等額外控制功能。I2C是雙向總線，通過它能訪問狀態(tài)和故障寄存器。這個寄存器用于記錄事件而且隨后可以查詢。

　　如果與一個處理器配合使用，DA9025還能支持看門狗功能，即由處理器向一個仍處于工作狀態(tài)的電源管理IC周期性地發(fā)送信令。該功能對軟件死鎖時的器件保護(hù)十分有用，如果沒有這項(xiàng)功能，那么當(dāng)軟件出現(xiàn)死鎖時，器件的工作狀態(tài)會被凍結(jié)，只有取掉電池并重啟系統(tǒng)，器件才能重新工作。

　　DA9025的典型應(yīng)用：便攜式媒體播放器

　　由于需要多電源的系統(tǒng)越來越多，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)也愈加艱巨。他們面臨著日益縮短的上市時間要求，為滿足這一要求，找到簡單易用的電源管理方案就變得至關(guān)重要。

　　圖2：一個簡單的便攜式音頻播放器電源管理子系統(tǒng)。

　　DA9025的靈活性使它非常適于低功耗系統(tǒng)以及采用先進(jìn)微控制器或DSP的系統(tǒng)，前者通常包含數(shù)字和模擬功能，而后者的內(nèi)核和外設(shè)通常需要單獨(dú)的電源供電。DA9025能提供一種基本的系統(tǒng)級電源管理方案，進(jìn)行開/關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)順序上電和電池監(jiān)控，因此它能用于為更復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)核供電。此外，設(shè)計(jì)人員還可以利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)元件為其添加附加穩(wěn)壓器或電池充電等額外功能，從而使得設(shè)計(jì)人員能夠快速配置完整的系統(tǒng)。

　　盡管DA9025主要是針對采用單鋰電池供電的系統(tǒng)，但它也能用于具有3.3V電源的系統(tǒng)中，例如用于PCMCIA、SD、MMC、CF和迷你PCI等計(jì)算機(jī)接口。便攜式音頻播放器就是DA9025成功應(yīng)用一個典型例子(見圖2)。

　　采用系統(tǒng)級方法在IC中集成最常見功能的主要益處在于加快上市時間，因?yàn)檫@種方法提前解決了一些通常要在開發(fā)階段中期才會考慮的問題。此外，也可以選擇采用全SoC方法，這樣得到的IC功能往往十分靈活，足以應(yīng)付多種不同的應(yīng)用，同時也讓設(shè)計(jì)人員有足夠的自由，能夠輕松地根據(jù)需要添加額外功能。