集成與靈活性—通往最佳電源管理架構之路

　　現(xiàn)代便攜式裝置電源管理解決方案的開發(fā)商正面臨各種挑戰(zhàn)，不僅要讓設計更精巧、更便宜與更省電，還要有更大靈活性。一個平臺只須要略為修改就能適應不同市場的各種終端產(chǎn)品。本文以一套便攜式導航系統(tǒng)為例介紹三種不同的電源管理解決方案概念，同時說明這些概念會隨著主要需求不同而各有優(yōu)點與用途。這三種概念是完全集成設計 (full integration)、熱最佳化局部集成設計 (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立設計 (layout-optimized discrete)，至于個別環(huán)境的最佳架構則必須視整體的技術、應用和商業(yè)需求而定。

　　便攜式導航系統(tǒng)又稱為個人導航輔助系統(tǒng) (Personal Navigation Assistants)，是消費電子市場成長最快的領域之一，可滿足使用者基本的方向感與導航要求。利用便攜式導航系統(tǒng)提供定位服務 (LBS) 現(xiàn)仍在初步發(fā)展階段，但此領域?qū)⒆?010起快速成長，尤其是歐洲新部署的伽利略 (Galileo) 商業(yè)系統(tǒng)必然會帶動進一步發(fā)展。便攜式導航功能還可擴大應用到其它的便攜式使用者裝置，這正是許多便攜式產(chǎn)品都必須面對電源架構挑戰(zhàn)的原因。

　　本文重點放在售后零件市場的典型商用便攜式導航系統(tǒng)。圖1是這類系統(tǒng)的框圖。



　　圖1   導航系統(tǒng)框圖 (紅線為電源路徑)

　　系統(tǒng)的GPS衛(wèi)星接收器會將原始數(shù)據(jù)提供給處理器，處理器則根據(jù)數(shù)字地圖信息(通常透過儲存卡提供)比對這些數(shù)據(jù)，再以圖形和數(shù)字將結果顯示在6到12公分的大型TFT屏幕。系統(tǒng)通常還會提供USB接口以便數(shù)據(jù)交換使用，此接口有時還能做為充電電池的電源。控制接口通常包含觸控屏幕和某些按鍵，電源供應則由一顆鋰離子電池和汽車電路系統(tǒng)的聯(lián)機提供。充電電池能讓消費者連續(xù)使用裝置數(shù)小時，例如行人可用它尋找特定地點。戶外專用裝置的要求則有所不同，譬如登山者或摩托車騎士就需靠著電池在外面使用一整天。系統(tǒng)還會透過集成式喇叭發(fā)出語音導航指示。多數(shù)制造商都會使用單一技術平臺，然后增加適當功能以滿足不同市場需求。

　　電源管理要求

　　此處所述的應用環(huán)境基本上決定了電源管理系統(tǒng)設計的主要需求；除了電壓與電流外，它還要如圖1所示提供不同消費者所需的功能。系統(tǒng)還須采取措施監(jiān)控充電電池、確保充電安全和控制屏幕亮度；另外，由于可用空間相當有限，解決方案必須很精巧。儀表板位置須能減少熱量產(chǎn)生，因為直接曝曬在夏日陽光下會使周圍溫度升高。接收機靈敏度是很重要的因素，它會對使用者造成直接影響。整個系統(tǒng)因此只能產(chǎn)生很少的電磁輻射，以避免內(nèi)部干擾造成接收機的信噪比下降。一套適用不同市場的共通平臺架構還需要最大靈活性，以便支持硬件與軟件修改與其它附加功能。

　　電源管理架構的主要需求可歸納如下：

　　·設計精巧，零件數(shù)目很少；

　　·電磁干擾很小；

　　·靈活性設計；

　　·電源效率很高，熱量產(chǎn)生很少。

　　如何才能讓最佳架構設計滿足這些要求？基本上有三種不同方法，它們各有其重點。本文將利用市場上買得到的組件詳細說明這些方法，然后討論它們的優(yōu)缺點。

　　完全集成設計

　　一種顯而易見的解決方案是把所有的有源電源管理功能集成至一顆芯片。圖2就以德州儀器 (TI) 的TPS65820為例說明這種方式。這款芯片不僅有兩個降壓轉換器提供電源給處理器芯核、程序內(nèi)存和閃存，還包含多組線性穩(wěn)壓器做為儲存卡的電源供應以及衛(wèi)星接收器和音頻編譯碼器的低噪聲電源。它還集成電池充電電路以及屏幕背光照明的升壓轉換器，使一顆芯片就能提供所有的電源管理功能。



　　圖2  以TPS65820為例的完全集成式電源管理

　　TPS65820采用7×7mm QFN封裝。由于電源轉換器的開關頻率很高，故能使用很小的電感與電容。此處的設計還將芯片的最大高度列入考慮，因此電路板的所有有源與無源元件高度都小于1毫米。



　　圖3  完全集成式設計的元件位置安排 (芯片為紅色，電感黃色，電容藍色，電阻棕色，二極管綠色)，電路板面積約170平方毫米

　　整個模塊的設計布局相當精簡。這可以是項優(yōu)點，只不過它需要接近正方形的電路板空間，如果布局太不規(guī)則就可能發(fā)生問題。完全集成式解決方案的另一缺點是缺乏靈活性，很難同時達到不同市場的要求，譬如充電器對低端產(chǎn)品可能過于龐大，或者驅(qū)動電路無法滿足高端系統(tǒng)的大型屏幕背光照明需求。完全集成式系統(tǒng)還可能造成應用范圍受限，例如只能用在低成本而高產(chǎn)量的市場。

　　熱最佳化局部集成設計

　　這種設計較注重靈活性，它會把平臺所有機種的相同電源供應全部結合至一顆芯片。圖4以TI的TPS65050為例說明這種做法，它會提供電源給處理器芯核、外部內(nèi)存電路、衛(wèi)星接收器的儲存卡和模擬電路以及音頻編譯碼器。



　　圖4  利用TPS65050局部集成處理器相關電源，并以BQ24032A做為充電組件，TPS61061擔任白光LED驅(qū)動器

　　屏幕背光照明的白光LED電源是由分立組件提供，這能讓同一平臺的不同機種使用不同的屏幕。例如只要以TPS60230之類采用電荷泵技術的解決方案取代分立式LED驅(qū)動組件TPS61061，就能使用LED并聯(lián) (而非串聯(lián)) 的屏幕。

　　使用獨立充電組件BQ24032A讓「熱最佳化局部集成」更為明顯。2Ah以上高容量電池的充電電流最高可達到1.5A。由于應用裝置在耗盡電力的電池透過此方式充電時仍須繼續(xù)工作，因此總電流會等于操作電流與充電電流之和，這將使充電組件因為外部電源與電池之間的電壓降而出現(xiàn)龐大功耗。「熱最佳化局部集成」則將這項功能移到采用散熱最佳化封裝的獨立芯片，這樣就算出現(xiàn)很大的耗電也只會造成充電電流下降，而不會像完全集成式解決方案一樣導致過熱關機，或是因為降壓轉換器 (尤其是LDO) 的功耗而產(chǎn)生更多熱量。另外，只要使用獨立的充電組件，設計人員即可調(diào)整這項功能以適應同一平臺的不同機種，例如采用大型或小型電池，或者選擇是否提供USB充電功能。



　　圖5  熱最佳化局部集成設計的元件位置安排。顏色標示方式與圖3相同，電路板面積約為165平方毫米。熱量主要來自BQ24032A和TPS65050，它們在電路板的位置可以盡量隔開

　　這種設計不會浪費電路板空間，解決方案的大小與完全集成式設計差不多。元件的位置則更有靈活性，這對形狀不規(guī)則的電路板很有幫助。設計人員還能將溫度很高的組件放在適當位置，并確保這些容易發(fā)燙的元件均勻分布在電路板上。

　　布局最佳化的分立解決方案 

　　如果從完全集成到熱最佳化局部集成算是一種局部分解，我們當然能更進一步創(chuàng)造出完全由分立元件構成的解決方案。這類解決方案必然會有最多的元件，這不僅使元件清單和庫存管理更復雜，通常也會是最昂貴的架構。但盡管如此，這類解決方案仍有許多值得采用的理由。 



　　圖6  分立解決方案利用不同的電源供應組件提供不同的電壓 

　　我們的便攜式導航系統(tǒng)將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩(wěn)壓器，以TPS61061做為屏幕背光照明電源，處理器相關電源則由兩個降壓轉換器產(chǎn)生 (TPS62300)。分立解決方案必須采用晶圓芯片級封裝 (WCSP) 之類的先進微型封裝技術，才能將設計縮小至完全集成或熱最佳化局部集成解決方案的水平。由于封裝的體積和寄生阻抗都很小，這類設計可將開關頻率提高至3MHz以便使用小型芯片線圈和輸出電容。這類解決方案還能采用芯片級封裝的線性穩(wěn)壓器，例如此處所用的TI TPS799xx組件。



　　圖7  分立解決方案的元件位置安排。顏色標示方式與圖3相同，所需電路板面積約為175平方毫米。設計的形狀會隨著電路板形狀而改變

　　只要采用最合適的微型封裝組件，這類設計就能將電路板面積縮小到高度或完全集成式解決方案的水平。

　　有兩種理由可能促使設計人員選擇分立解決方案。首先，許多電路板的形狀很不規(guī)則，尤其使用電池的便攜式產(chǎn)品最常遇到這種情形。它們有很多凹口來安裝電池、控制組件、天線或屏幕。日益流行的平面模塊則讓電路板參差不齊，有時甚至無法使用高度集成的解決方案。隨著電壓轉換器的開關頻率達到2MHz以上，無緣元件的位置必須盡量靠近組件引腳以避免電路不穩(wěn)定并降低電磁干擾。完全集成式解決方案對元件位置的限制很嚴苛，任何改變都會影響系統(tǒng)功能。這類電源管理方塊大都采用正方形或略似長方形的結構。

　　若采用分立解決方案，就算是很不規(guī)則的電路板也能實現(xiàn)功能完整的設計。使用分立設計的第二個理由是可將電磁干擾減至最小。導航系統(tǒng)的接收機靈敏度是非常重要的使用者考慮因素，必須在天線端提供良好的信噪比才能確保接收靈敏度。分立設計可以將潛在的噪聲源與干擾源安排在距離天線較遠的地方，同時將線性穩(wěn)壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線的位置。除此之外，我們也更容易在設計發(fā)生問題時更換特別重要的元件，而不必從頭修改整個設計。例如背光照明就是非常重要的功能，這是因為多數(shù)用來驅(qū)動白光LED的升壓轉換器都會泄漏電流，所以在某些情形下會產(chǎn)生電磁干擾。在完全集成式組件里，背光驅(qū)動器的電磁輻射是一項非常重要的特性，若發(fā)生問題就可能需要使用另一顆獨立的驅(qū)動組件，而對產(chǎn)品成本造成不利的影響。
 
　　未來展望 

　　本文重點放在個人導航輔助系統(tǒng) (PNA) 這種目前最常見的便攜式導航裝置。我們現(xiàn)在將開始考慮每一種做法的未來發(fā)展性。舉例來說，導航系統(tǒng)與便攜式多媒體應用的集成不僅是在意料之中，而且很有必要。MP3播放機的集成不需額外的電源管理組件，因此不用大幅修改平臺即可將此功能加入導航系統(tǒng)。視頻播放機的集成則完全不同，儲存媒體(多半是硬盤)通常需要升降壓轉換器來產(chǎn)生操作電壓。大型屏幕需要更多LED做為背光照明，故需更強大的電源轉換器。如果高畫質(zhì)視頻應用也在規(guī)劃中，整個處理器電路有時就要徹底修改，因為它需要運算能力更強大的其它處理器單元，但這也會使總電流消耗大增。想在不使用汽車電源的情形下延長產(chǎn)品工作時間，電池的容量就必須增加。此時，整個系統(tǒng)比較像一臺包含導航等擴充功能的便攜式視頻播放機。這些概念還能用于便攜式游戲應用。熱最佳化局部集成是這類匯聚系統(tǒng) (convergent system) 的最佳解決方案，因為這種解決方案能將處理器相關功能的電源管理標準化，同時維持完整的外圍設計靈活性。匯聚系統(tǒng)的完全集成芯片常遇到內(nèi)建電源轉換器不符實際需求的情形，熱最佳化局部集成解決方案則能避免這類問題，進而將系統(tǒng)成本最佳化。

　　結語

　　本文介紹的三種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設計工作。完全集成式解決方案適合不需靈活性的高產(chǎn)量應用，分立解決方案則有助于實現(xiàn)困難電路板布局并達到嚴苛的電磁兼容性要求。熱最佳化局部集成解決方案通常是前兩種做法的折衷，特別適合必須支持不同市場的模塊化設計。

　　特定環(huán)境下的最佳做法須視系統(tǒng)設計的主要需求而定。整體需求是由個別市場需要、技術可能性和商業(yè)環(huán)境等許多因素組合而成，因此各部門必須在概念階段密切合作才能得到最好的結果。幸而TI等大型半導體廠商已能提供種類廣泛的組件支持這些概念，并由受過電源管理技術專業(yè)訓練的應用工程師提供協(xié)助。