TI工程師解析便攜媒體播放器的電源管理分組技術(shù)
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引言 |
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在多電壓軌環(huán)境中，電源定序歷來是個(gè)備受關(guān)注的重要話題。在電壓升降過程中，數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)和微處理器等器件對電源的順序和電壓都有著不同的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要更充分的發(fā)掘電源管理器件的潛能，透徹的了解系統(tǒng)電源定序的需求。 |
最新的市場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，便攜式媒體播放器是目前發(fā)展最快的便攜式消費(fèi)類電子終端設(shè)備。消費(fèi)者希望在路上也能聆聽他們喜愛的音樂，欣賞視頻剪輯甚至電影。不過，消費(fèi)者還希望獲得更多功能。即將推出的媒體播放器將集成 GPS 功能和音視頻廣播接收功能。
越來越多的器件功能對設(shè)計(jì)工程師提出了一些重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。媒體播放器需要存儲并快速處理海量數(shù)據(jù)，提供高質(zhì)量的音視頻重現(xiàn)功能。因此，電源管理已成為能否提供更長工作和待機(jī)時(shí)間的重要因素，關(guān)系到一種產(chǎn)品的商業(yè)成敗。
我們不妨來了解一下現(xiàn)代模擬電源管理系統(tǒng)的特性、性能折衷策略以及分組技術(shù)，該系統(tǒng)不僅能確保電池充電快速、安全，而且還可為便攜式媒體播放器的所有系統(tǒng)組件高效供電。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
不斷發(fā)展的消費(fèi)者需求對技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。音頻/視頻播放、游戲及全球定位系統(tǒng) (GPS) 等功能都需要高效使用電池電量。設(shè)計(jì)時(shí)尚、小巧、用戶友好型器件要求采用極微小的集成電子與機(jī)械組件。
為了盡可能延長工作時(shí)間，設(shè)計(jì)人員必須正確選擇電池的化學(xué)特性與容量。精確的電池電量監(jiān)測有助于避免系統(tǒng)過早關(guān)閉，并使系統(tǒng)充分利用電池可用電量。正確選擇功率轉(zhuǎn)換電路也決定著電池為系統(tǒng)供電的效率。
器件有著嚴(yán)格的尺寸要求，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)在小而薄的封裝中采用集成元件，確保良好的功耗性能。雖然現(xiàn)代電源 IC 能在同一器件上集成數(shù)個(gè)電源通道，但我們必須了解系統(tǒng)的電源分組，以避免過度集成。在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，如果所有供電元件都集中在相同的位置，這樣會造成電源管理設(shè)備到實(shí)際負(fù)載點(diǎn)的線跡過長，從而會導(dǎo)致噪聲和散熱問題，進(jìn)而延長開發(fā)時(shí)間。
創(chuàng)新型解決方案
處理設(shè)備居于便攜式媒體播放器(圖1)的核心地位，它通常結(jié)合了微控制器和數(shù)字信號處理內(nèi)核，負(fù)責(zé)處理不同來源的音頻和視頻數(shù)據(jù)，并管理用戶界面。高質(zhì)量音頻編解碼器確保對聲音信息的適當(dāng)編碼和重現(xiàn)。視頻編碼器使便攜式媒體播放器能連接到外部監(jiān)視器或電視機(jī)，適合大屏幕觀賞。顯示設(shè)備主要是彩色薄膜晶體管 (TFT) LCD 模塊，LCD 模塊通常包括行列視頻驅(qū)動器和實(shí)現(xiàn)背光功能的白光 LED 電源。
GPS 芯片組使播放器能用作便攜式 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，而 FM 調(diào)諧器 IC 則能接收無線電廣播。
便攜式媒體播放器需要幾種類型的存儲設(shè)備和處理內(nèi)存。處理器通常與閃存存儲器協(xié)同工作，并利用 EEPROM 存儲配置數(shù)據(jù)和操作系統(tǒng)。音頻和視頻數(shù)據(jù)可存儲在 SD 卡等移動存儲介質(zhì)上，而內(nèi)置硬盤驅(qū)動器通?？纱鎯^大的數(shù)據(jù)資料。
處理器、存儲器和顯示屏構(gòu)成整體系統(tǒng)，需要不同的電壓軌和大量電力。我們必須高效管理電池，實(shí)現(xiàn)高效充電，盡可能提高電池到系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換效率。電池通常是一節(jié)鋰離子電池，電池容量根據(jù)整體用電需求在 1200 至 2000mAh 之間，充電電流應(yīng)高于 1A。鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器能安全準(zhǔn)確地給電池再充電，而精確的電池電量監(jiān)測設(shè)備可確定充電狀態(tài)，并有助于系統(tǒng)最大限度利用任何可用電量。
數(shù)個(gè)電源轉(zhuǎn)換器將電池電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)電壓。3.3 V 的高電流電源軌可用于對帶有顯示控制器與背光功能的TFT LCD顯示模塊、高量漏極(HDD)、處理器 I/O 以及音頻編解碼器供電。處理引擎要求的內(nèi)核電壓相對較低，1.2 或 1.8 V 即可。音頻與 RF 組件電源可能需要用線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，以便濾掉開關(guān)轉(zhuǎn)換器紋波。
我們有必要更密切地關(guān)注一下電源管理系統(tǒng)的分組。通常人們會認(rèn)為，與數(shù)字組件類似，電源系統(tǒng)也應(yīng)盡可能集成。但這會帶來嚴(yán)重的問題。如果將線性電池充電器與功率轉(zhuǎn)換級集成，就會在集成度極高的板級空間造成散熱問題。此外，電池充電器通?？拷姵嘏c AC 適配器的連接處，而功率轉(zhuǎn)換級的理想位置是接近負(fù)載點(diǎn)，即處理系統(tǒng)。還有一點(diǎn)值得注意的是，不同型號的媒體播放器根據(jù)用途不同要求不同的充電器特性，但功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都是一樣的。鑒于上述原因，最節(jié)約成本、設(shè)計(jì)也最方便的解決方案就是將電池管理與功率轉(zhuǎn)換分由不同的IC來完成，如圖 1 所示。這不僅有助于最大化設(shè)計(jì)靈活性，簡化布局與散熱管理，而且還能夠降低解決方案的總成本。
為了維護(hù)安全工作條件并最大化電池工作時(shí)間，電池充電器應(yīng)確保鋰離子電池的充電過程符合制造商的規(guī)范。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要采用恒流恒壓 (CCCV) 的充電方案，并確保穩(wěn)壓精度小于 1% ，以避免出現(xiàn)過度充電。我們應(yīng)識別出剩余電量極低的電池，先以一定比例的最大充電速度給它充電，慢慢提高電池電壓，然后再進(jìn)入快速充電模式。此外，充電器應(yīng)通過專門的溫度傳感引腳 (TS) 測量電池的溫度，避免在 0 ℃～40℃ 范圍之外進(jìn)行充電，從而盡可能延長電池的工作時(shí)間。
不管電源來自 USB 端口還是 AC/DC 墻上適配器，充電器都應(yīng)對充電工作加以管理。就某些應(yīng)用而言，充電 IC 的電力來自高壓前端 DC/DC，電池可直接從高壓電源進(jìn)行充電，如轎車或卡車所用的電池就是這種情況。輸入引腳上的額定輸入電壓最大可達(dá) 18 V，這不僅能避免系統(tǒng)在DC 電源線路上出現(xiàn)過壓峰值，而且還能使用價(jià)格較低的非穩(wěn)壓墻上電源。充電 IC 可以確定進(jìn)入電池的實(shí)際充電電流和系統(tǒng)所用的電流。因此，電池充電和系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行的情況下，充電過程也不會出現(xiàn)非正常終止問題。上述解決方案實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的電源管理，在系統(tǒng)和電池間合理分配可用的 DC 輸入功率。如果系統(tǒng)電流上升，電池充電電流會自動降低，反之亦然，從而滿足整體供電量的要求。這有助于優(yōu)化成本，使墻上電源也能滿足系統(tǒng)整體的平均用電需要，兼顧電池充電和應(yīng)用運(yùn)行，而不是必需采用滿足最嚴(yán)格用電條件的電源。
我們在微型的 3.5mm x 4.5mm QFN 封裝中集成了所有必需的充電控制和電源通道電源晶體管，從而使解決方案的整體尺寸達(dá)到了最小化。此外，我們還可使媒體播放器系統(tǒng)在電池充電器給電池充電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)睡眠模式下工作。充電器將根據(jù)檢測到的最小電流終止充電，并提供可編程定時(shí)器，進(jìn)一步提高安全性。
我們可用電池電量監(jiān)測計(jì)來精確測定剩余電池電量，從而進(jìn)一步改善電池管理。這樣，處理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充電時(shí)提醒用戶，從而更好地管理媒體播放器的功耗。
媒體播放器的功率轉(zhuǎn)換主要是通過轉(zhuǎn)換 DC 穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)功率效率最大化。我們認(rèn)為，就穩(wěn)壓工作而言，線性穩(wěn)壓器解決方案具有體積小和成本低等優(yōu)勢。這種解決方案成本較低，對低電流和低穩(wěn)壓差分而言效率也比較高，但如果電流超過 300mA 到 400mA 的話，就會因?yàn)楣奶叨枰嫉睾艽笄覂r(jià)格昂貴的散熱片。如果輸出電流較高且輸入至輸出的電壓差分很大，就會發(fā)生此類問題。假設(shè)我們用 3.6 V 的鋰離子電池提供 1.2 V 的內(nèi)核電壓，線性穩(wěn)壓器這時(shí)的工作效率只有 33%，電池電力大部分都變成散熱消耗掉了。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的工作效率實(shí)際高達(dá) 90% 以上，其功耗僅為低降壓穩(wěn)壓器 (LDO)消耗的一小部分。
圖 3 給出了同一 IC 封裝中采用幾個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的高效集成式功率轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)例。為使處理引擎采用低壓內(nèi)核電源，主系統(tǒng)電壓為 3.3 V，我們采用帶 FET 的全集成同步 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)最大功率效率，并盡可能減少外部組件數(shù)。采用該解決方案時(shí)，無需使用占地較大的散熱片。相對 DC/DC 控制器解決方案而言，全集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用片上轉(zhuǎn)換 FET 并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制。這就是說，設(shè)計(jì)工程師不必選擇外部晶體管，也不必采用昂貴而難用的設(shè)計(jì)軟件來分析補(bǔ)償與穩(wěn)定條件。組件選擇非常方便，我們只需根據(jù)數(shù)據(jù)表單，采用推薦的電感器即可。
最多4個(gè)線性穩(wěn)壓器為音頻、RF 及其他子組件提供低電流輔助電源，這有助于減少組件數(shù)，針對不同類型的電壓軌，在成本、大小和效率之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。
集成電源管理解決方案具有一些能夠顯著節(jié)省板級空間的獨(dú)特特性。由于集成了所有開關(guān)晶體管，因此電路只需要兩個(gè)電感器和少數(shù)幾個(gè)電容器。2.25 MHz高開關(guān)頻率使電感器尺寸減小到 2.2mH，從而能使用高度還不足 1 毫米的芯片電感器，而轉(zhuǎn)換效率仍高達(dá) 90% 以上。為進(jìn)一步降低功耗，DC/DC 穩(wěn)壓器還提供自動 PFM/PWM 模式轉(zhuǎn)換功能，在很大負(fù)載范圍上,都能最大化轉(zhuǎn)換效率。低負(fù)載電流運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換器可進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 模式，而負(fù)載電流大于 50 mA 時(shí)，脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制方案則能對其提供支持。
4 個(gè)線性穩(wěn)壓器和 1 個(gè)輸出電容器即可提供低電流電源。為盡可能提高設(shè)計(jì)靈活性，該器件還提供串行接口，以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器電壓的靈活編程，這樣處理系統(tǒng)就能控制自己的電源，并調(diào)節(jié)電源電壓以優(yōu)化電源性能。該器件采用小型QFN封裝，這樣IC的面積可減至4mmx4mm。
結(jié)語
便攜式媒體播放器在便攜式電子設(shè)備市場中的份額不斷上升。消費(fèi)者希望小型設(shè)備能夠提供更多功能，且實(shí)現(xiàn)更長的工作時(shí)間。電池技術(shù)與低功耗半導(dǎo)體組件的不斷發(fā)展可以幫助工程師逐步滿足上述要求。與此同時(shí)，電源設(shè)計(jì)人員在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。精確監(jiān)測電池容量有助于充分利用電池全部電力，與高效的功率轉(zhuǎn)換相結(jié)合，有助于充分發(fā)揮電池的作用。我們采用高度集成的電源管理設(shè)備，并盡可能減少外部組件數(shù)和封裝尺寸，這有助于高效利用有限的板級空間，以便集成更多功能，并減小產(chǎn)品尺寸與重量。
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