利用電源管理IC應對便攜式設計的功耗挑戰

    盡管手機設計人員不斷地將語音、相機、GPS及其他功能集成在一個不超過半英寸厚的外殼中，便攜式媒體播放器設計者將微控制器、硬驅和音頻電路等整合在口袋大小的封裝中，但是便攜式設計集成多種功能的壓力仍然巨大。

    過去數年間，功率半導體制造商推出了大量電源管理IC(PMIC)，專門用于把便攜式消費電子系統中的主要功能集中在單芯片中。這些芯片一般集成有一個電池充電器、一或多個降壓轉換器，有時候還有多個低壓降調節器(LDO)，用以處理當前日益纖巧化的消費電子設備中的各種功率功能。

    鑒于“移動”計算的要求，PMIC中的大部分充電電路都同時支持USB充電和交流適配器電源充電。然而，USB端口上的功率環境的高度動態特性帶來了一些獨特的問題。

    為了確保USB端口的完整性，大部分充電電路都包含了端口保護機制。廠商一般提供兩個充電級別，雖然也可以由設計人員利用外部置位電阻來設定，但通常在工廠就已預設好。按照USB標準規定，較高一級支持最大500毫安的負載，較低的第二級則常常設置在100mA。

    當端口源電流不足以滿足500mA級的要求時，系統微控制器就命令系統采用較低的充電級，以保證USB端口不會超載。這種兩級方案盡管可保護端口，但也可能無謂地延長了電池充電時間。

    某些PMIC廠商目前利用嵌入式智能電路提高快速充電周期的效率，以此來解決這一問題。這些電路不斷監控USB端口上的電壓。當功率被拉離端口轉而執行其他系統任務，同時端口不再提供滿500mA電流時，電路以離散步長動態向下調節快速充電電流，直到USB端口上的電壓下降到可用功率以下。一般采用一個反饋環路來補償電壓下降，以完成部件的調節。

輕載效率

    大多數用于便攜式消費應用產品的新型PMIC都包括一個或多個步降DC/DC轉換器，以驅動系統微控制器、內存、硬驅及其他I/O設備。由于這些系統中的鋰離子電池提供的電壓平均為3.6V，而且大部分內核微控制器都是設計來工作在十分低的電壓之下的，故設計人員必須盡可能高效地步降工作電壓，以盡量延長兩次充電之間的運行時間。輕載條件下轉換器效率的重要性有時容易被忽略掉。由于便攜式設備一般大部分時間都處于待機模式和突發激活使用模式下，故大多數系統要求轉換器能夠在兩種使用情況下都能以高效率提供功率。

    圖：Maxim的 MAX8662/3部件在一塊單芯片上集成了1個USB/AC 充電器、2個步降DC/DC 轉換器，4個LDO和1個步升DC/DC 轉換器，是便攜式系統功率集成的典型范例。

    對大多數DC/DC轉換器，當電流小于100mA時，效率曲線出現急劇下降。許多PMIC制造商現在提供能夠同時工作在固定和可變頻率模式下的轉換器，以便在所有負載條件下都可以使效率最大化。此外，系統設計人員還可以通過選擇最適合自己應用的DC/DC轉換器來解決這個問題。

    轉換器的開關頻率也是一個主要考慮因素。對于大多數便攜式消費產品而言，電路板占位空間很有限，每一毫米都不能浪費。工作時開關頻率較高的降壓轉換器可以結合外形尺寸較小的外部元件一起工作。

    射頻或音頻類型的電路，比如無線發射器、接收器或麥克風，對電源的要求又大為不同。在這些領域，要防止噪聲傳播造成性能下降，高度隔離和低噪電源是至關重要的。例如，在設計藍牙耳機的麥克風拾音器電路時，就需要出色的低噪性能和高級別的輸入輸出隔離。

    雖然線性電壓調節器的效率比開關DC/DC轉換器的要低得多，但它們卓越的低噪特性使其成為RF和音頻應用中不可或缺的部件。這類電路的電流消耗一般相當低，故對系統范圍功率效率的影響通常都極小。

    在選擇片上集成了低壓降調節器的PMIC時，有必要考慮LDO是否能提供快速瞬態響應及支持快速啟動。電容兼容性也是一個問題：調節器可以采用成本較低的低ESR陶瓷電容器嗎？若可以，它會妨礙設計人員在需要時采用其他類型的電容嗎？

    一些PMIC廠商在單芯片中集成了大量的功能。例如，Maxim公司的MAX8662集成了1個USB/AC充電器和2個步降DC/DC轉換器、4個LDO及1個步升轉換器，可支持多達7個WLED或OLED顯示器。2個步降轉換器可用來支持1.2A和900mA的一系列負載。對于噪聲敏感的電路，4個LDO支持150mA 到 500mA的全線范圍負載。

    在同一領域，國家半導體公司推出的LP3910整合了1個雙源鋰離子電池充電器、2個可動態調節電壓的降壓轉換器、1個寬負載范圍的帶有可編程輸出的降升轉換器，以及1個用于電池使用管理的4路8位A/D轉換器，可支持高性能媒體播放器及其他手持式設計。

    其他廠商則秉持“寓豐富于簡潔”的理念。Linear公司的理念是，在不降低性能或延長設計周期的前提下集成更多的功能。“我們的一些客戶表示，他們不得不浪費更多的設計時間來關閉部分PMIC中用不著的東西，只為了確保那些沒有用的功能不會干擾到有用的功能，”Linear公司的功率市場經理Tony Armstrong稱。“我們不希望把部件搞得太復雜，使它變成一個設計和版圖的噩夢。”

    Linear公司的高集成度PMIC-LTC3555，采用4mm x 5mm QFN封裝，集成了該公司的專利技術PowerPath管理電路和USB/AC充電器；3個同步降壓轉換器，能夠分別提供1A、400mA和400mA的輸出電流，以及1個LDO。該器件瞄準基于硬盤驅動器的MP3 播放器、PDA、GPS設備及其他手持式應用產品。

    當然，理想上消費電子系統設計人員希望找到能夠滿足自己應用要求的最佳PMIC，包括占位面積和熱限制方面。過去一年間，功率半導體制造商不斷推出專門瞄準特定應用的范圍更廣泛的產品，以期簡化這一任務。

    Advanced Analogic Technologies的AAT2554就是一個佐證。AAT2554是AnalogicTech的SystemPower系列中的一款產品，其功能集瞄準更低功率應用，比如藍牙耳機、電表及其他超便攜式設備。這款PMIC采用16腳TDFN封裝，整合了1個500mA的電池充電器、1個250mA的步降轉換器和1個300mA的LDO。另一款同系列器件AAT2550采用4x4mm QFN封裝，集成了1個電池充電器和2個600mA的步降轉換器，可支持更高性能的MP3播放器、智能電話及其他便攜式設備的設計。

    類似地，德州儀器的bq25015 和 bq25017在單芯片上帶有1個USB/AC充電器電路和1個300mA的轉換器，瞄準的是空間受限的藍牙應用產品。而且，Linear最近新推出一款更簡單的PMIC，LTC3559，它在3 x 3-mm 的QFN封裝中集成了1個充電器和2個降壓轉換器，適合于基于RAM的MP3或其他更簡單的手持式設計。

    鑒于目前市場上對更小外形尺寸的需求，散熱一直是一個令人頭痛的問題。大多數設計都無法添加散熱器，更遑論風扇。“把三個功耗相當高的功能模塊集成在一起的挑戰之一是，它們可能產生更多的熱量，超出了封裝能夠處理的范圍。”AnalogicTech公司產品線主管Bill Weiss表示。

    為了防止過熱影響到降壓轉換器的性能或造成處理器的中斷，AnalogicTech的PMIC增加了一個數字熱控環路，其可以感測IC是否達到某個溫度閾值，并自動減小充電電流，以降低功耗。

作者：John Mayer