集成與靈活性

　　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(shè)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(yīng)不同市場的各種終端產(chǎn)品。本文以一套便攜式導(dǎo)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(diǎn)與用途。這三種概念是完全集成設(shè)計 (full integration)、熱最佳化局部集成設(shè)計 (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立設(shè)計 (layout-optimized discrete)，至于個別環(huán)境的最佳架構(gòu)則必須視整體的技術(shù)、應(yīng)用和商業(yè)需求而定。
 
圖1  60W, 16V/3.75A應(yīng)用電路

　　便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為個人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (Personal Navigation Assistants)，是消費(fèi)電子市場成長最快的領(lǐng)域之一，可滿足使用者基本的方向感與導(dǎo)航要求。利用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位服務(wù) (LBS) 現(xiàn)仍在初步發(fā)展階段，但此領(lǐng)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(jìn)一步發(fā)展。便攜式導(dǎo)航功能還可擴(kuò)大應(yīng)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(gòu)挑戰(zhàn)的原因。
本文重點(diǎn)放在售后零件市場的典型商用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)。圖1是這類系統(tǒng)的框圖。

　　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(jié)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?？刂平涌谕ǔ０|控屏幕和某些按鍵，電源供應(yīng)則由一顆鋰離子電池和汽車電路系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)提供。充電電池能讓消費(fèi)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(diǎn)。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(dǎo)航指示。多數(shù)制造商都會使用單一技術(shù)平臺，然后增加適當(dāng)功能以滿足不同市場需求。

電源管理要求

　　此處所述的應(yīng)用環(huán)境基本上決定了電源管理系統(tǒng)設(shè)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(fèi)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(dāng)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?yàn)橹苯悠貢裨谙娜贞柟庀聲怪車鷾囟壬?。接收機(jī)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(jī)的信噪比下降。一套適用不同市場的共通平臺架構(gòu)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(gòu)的主要需求可歸納如下：
．設(shè)計精巧，零件數(shù)目很少；
．電磁干擾很小；
．靈活性設(shè)計；
．電源效率很高，熱量產(chǎn)生很少。

如何才能讓最佳架構(gòu)設(shè)計滿足這些要求？基本上有三種不同方法，它們各有其重點(diǎn)。本文將利用市場上買得到的組件詳細(xì)說明這些方法，然后討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
 
圖2  采用ICE3BS03LJG器件的電源待機(jī)功耗

完全集成設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)換器，使一顆芯片就能提供所有的電源管理功能。

　　TPS65820采用7mm×7mm QFN封裝。由于電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率很高，故能使用很小的電感與電容。此處的設(shè)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  主動突發(fā)模式的框圖和示意圖

　　整個模塊的設(shè)計布局相當(dāng)精簡。這可以是項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)是缺乏靈活性，很難同時達(dá)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(yīng)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(shè)計

　　這種設(shè)計較注重靈活性，它會把平臺所有機(jī)種的相同電源供應(yīng)全部結(jié)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  在主動突發(fā)模式下測得的波形

　　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(jī)種使用不同的屏幕。例如只要以TPS60230之類采用電荷泵技術(shù)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。