應(yīng)用處理器專用電源設(shè)計(jì)

在為智能電話開發(fā)一款集成電路時(shí)，一個(gè)小的解決方案尺寸是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。其他重要的參數(shù)包括高效率、靈活性以及外部組件的數(shù)量。但是，在導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于較大尺寸的顯示屏以及外形尺寸，因此與純手持終端應(yīng)用相比，其對(duì)空間的要求就顯得不那么關(guān)鍵了。根據(jù)設(shè)計(jì)，由于手持終端設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)每次只能運(yùn)行數(shù)個(gè)小時(shí)，因此將他們與汽車的儀表板相連，并由一個(gè)連接至汽車蓄電池的 12 V 適配器來(lái)供電是極為常見(jiàn)的。該適配器通常包括一個(gè)為導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入提供 5V DC 電壓的預(yù)調(diào)節(jié)器。這樣就可以使用一個(gè)專用電源輸入或 USB 連接器進(jìn)行供電。輸入電壓通常用于為一個(gè)鋰離子電池充電。有兩種不同的電池充電器概念，即具有電源通道的電池充電器和不具有電源通道的電池充電器。

圖 1 不具有電源通道的充電器

圖 2 具有電源通道的充電器

兩者最主要的不同之處在于電池連接至負(fù)載的方法不同。對(duì)于不具有電源通道的充電器而言，電池直接連接至負(fù)載，且充電器所提供的電流在負(fù)載和電池之間進(jìn)行拆分。如果應(yīng)用被關(guān)閉且沒(méi)有負(fù)載電流，那么充電器所提供的所有電流則全部用于為電池充電。如果應(yīng)用被開啟，則充電電流就會(huì)減少且部分電流將用于為應(yīng)用供電。雖然這一概念非常簡(jiǎn)單，但是我們無(wú)法預(yù)測(cè)進(jìn)入電池的充電電流。只有當(dāng)電池和應(yīng)用充電器的總輸出電流為已知時(shí)，才可對(duì)進(jìn)入電池的充電電流進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第二種充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含了一個(gè)所謂的電源通道。電池由一個(gè)開關(guān)與負(fù)載隔離開來(lái)，如果充電器上沒(méi)有輸入電壓，那么開關(guān)將關(guān)閉且電池與輸出連接，從而為應(yīng)用供電。在與一個(gè)外部電源連接以后，電池和功率輸出之間的開關(guān)將開啟，且充電器輸入和功率輸出之間的第二個(gè)開關(guān)將被關(guān)閉。該輸入電壓要么被直接連接至輸出，要么被預(yù)調(diào)節(jié)至高于電池電壓的 100mV 左右或調(diào)節(jié)至一個(gè)穩(wěn)壓。第二種電路可獨(dú)立為電池充電。具有電源通道的充電器提供了限制輸入電流、汽車適配器電流或 USB 總線電流的選項(xiàng)?？梢詫?duì)充電電流進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。這一概念具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

于電源而言，根據(jù)所使用的充電器的類型的不同，輸入電壓范圍也不盡相同。 最低的工作電壓通常由鋰離子電池的最低電壓定義，其可能會(huì)低至 3.0V 標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的電壓。最高的電壓則取決于充電器，對(duì)于那些不具有電源通道的充電器而言，最高的電壓與最高的電池電壓相等，通常為 4.2V。由于電源通道激活，電壓可能會(huì)上升至 5V 以上，因此，理想的狀況是擁有一個(gè)在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)都具有良好效率的電源。如果在一個(gè)電源芯片上集成了低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO)，這就顯得至關(guān)重要了，因?yàn)槠湫手饕Q于旁路元件兩端的電壓，該電壓由輸入和輸出電壓之間的差來(lái)定義的。

對(duì)一塊集成電路來(lái)說(shuō)，總會(huì)存在是否要集成充電器的問(wèn)題。即使能夠?qū)橐环N應(yīng)用供電所需的全部電路都包括到一個(gè)小型器件中，這種解決方案也存在折衷處理和缺乏靈活性的問(wèn)題。從功耗和布局的角度來(lái)看，不在電源管理單元 (PMU) 中集成電池充電器的解決方案是可行的。充電器能夠適應(yīng)于可用輸入源和更具使用靈活性的電池?？蓪⑦@種充電器靠近電池或者輸入連接器放置，同時(shí)可以將 PMU 靠近處理器放置來(lái)獲得供電。

另外，還有一些解決方案，它們不但集成了如音頻放大器和音頻 CODEC 的模塊，同時(shí)還集成了顯示器及顯示器背光電源。與充電器一樣，這些附加模塊也面臨同樣的問(wèn)題。一個(gè)集成了各種模塊的器件從一個(gè)用于許多不同應(yīng)用的靈活解決方案轉(zhuǎn)向一種用戶特定器件，使得在沒(méi)有損害某些參數(shù)的情況下適應(yīng)于不同應(yīng)用變得困難。具有限制功能的器件可在終端上提供較高的靈活性。在以下例子中，顯示了一種專門用于某種應(yīng)用和/或某些處理器的器件。TI 的 TPS65024x 系列電源管理單元專門優(yōu)化用于處理器的輸出電流能力和輸出電壓。當(dāng)然，這種器件并不是不能被用于為其他設(shè)備供電，而是說(shuō)將其專門用于處理器只需要少量的外部組件。

TPS65024x 系列電源管理單元包括三個(gè)專門用于 I/O、存儲(chǔ)器和手持設(shè)備內(nèi)核電壓的降壓轉(zhuǎn)換器。另外，還有三個(gè)要求具有極低紋波或低電流電壓軌的LDO。兩個(gè) LDO（LDO1 和 LDO2）可以提供一個(gè) 200mA 的輸出電流，同時(shí)第三個(gè) LDO（LDO3）專門用于一個(gè)電壓軌 (Vdd_alive)，即使在應(yīng)用處理器處于睡眠模式的情況下也需要開啟該電壓軌。輸出電流能力為 30mA，LDO3 的電源電流僅為 10uA，其將來(lái)自于處于睡眠模式下的電池的電流保持盡可能的小。

一般而言，寬范圍輸出電流的高效率是許多電池供電應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，所有設(shè)備要進(jìn)行優(yōu)化，以用于低靜態(tài)電源電流，即未向輸出提供任何電流但卻仍然維持輸出電壓的芯片所需要的電流。對(duì)于那些長(zhǎng)期在待機(jī)模式下工作的應(yīng)用而言，這一參數(shù)至關(guān)重要。低靜態(tài)電源電流不僅延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間（在應(yīng)用不需要任何電源電流的情況下），而且在提到極低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電流條件下的效率時(shí)這也是一個(gè)重要的參數(shù)。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器（例如：降壓轉(zhuǎn)換器）的效率受到三個(gè)因素的影響。在高輸出電流條件下，效率主要由內(nèi)部電源開關(guān)電阻決定，因此低電阻在該工作范圍內(nèi)非常重要。在降壓轉(zhuǎn)換器中，工作在固定頻率脈寬調(diào)制模式 (PWM) 下時(shí)，占空比取決于輸入－輸出電壓比。對(duì)低輸出電壓而言，同高側(cè)開關(guān) (PMOS) 相比，內(nèi)部低側(cè)開關(guān) (NMOS) 的開啟時(shí)間更長(zhǎng)，而對(duì)于高輸出電壓而言，高側(cè)開關(guān)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)均被開啟。因此，適應(yīng)這種尺寸以及其面向轉(zhuǎn)換器輸出電壓開關(guān)的電阻是非常具有意義的。當(dāng)然，假設(shè)條件是輸入電壓對(duì)于所有轉(zhuǎn)換器而言（通常為一節(jié)鋰離子電池或來(lái)自墻上電源適配器的一個(gè)固定電壓）都相同。

對(duì)于 10mA 到 200mA 范圍的輸出電流而言，開關(guān)電阻不再是出現(xiàn)損耗的主要原因。取而代之的是電源開關(guān)柵極電荷和電感損耗決定了效率的高低。使開關(guān)頻率適應(yīng)輸出電流是在該工作范圍（被稱為“脈沖頻率調(diào)制” (PFM)）內(nèi)保持高效率的關(guān)鍵技術(shù)。PFM 只向輸出提供恒定能量。這就帶來(lái)高輸出電流下的高開關(guān)頻率，以及低輸出電流下的低開關(guān)頻率和隨之而來(lái)的低開關(guān)損耗。在轉(zhuǎn)換器極低輸出電流條件下，由靜態(tài)電源電流引起的持續(xù)損耗決定了上述效率的高低。所有 TPS65024x 系列產(chǎn)品均是以這種最小化損耗的方法來(lái)設(shè)計(jì)，從而帶來(lái)寬電壓和電流范圍的最佳效率。表 1 是對(duì) TPS5024x 系列產(chǎn)品的縱覽，圖 3 則顯示了其結(jié)構(gòu)圖。

表1 TPS65024x 的選項(xiàng)

圖 3 TPS650240 結(jié)構(gòu)圖

圖 3 中所顯示的這種器件專門優(yōu)化用于三星公司的應(yīng)用處理器，這種處理器在低功耗模式下需要一個(gè) 1.0V 的內(nèi)核電壓，在正常工作模式下則需要一個(gè) 1.3V 的內(nèi)核電壓。為了最小化外部組件使用數(shù)量，降壓轉(zhuǎn)換器 1 擁有一個(gè) 3.3V 的固定電壓，或一個(gè)用于 I/O 電壓的 2.8V 輸出。轉(zhuǎn)換器 2 提供了 2.5V 或 1.8V 的存儲(chǔ)器電壓。轉(zhuǎn)換器 3 的輸出電壓可以在 1.0V 和 1.3V 之間進(jìn)行切換，其取決于被稱為 DEFDCDC3 的數(shù)字輸入狀態(tài)。因此，無(wú)需外部組件來(lái)為降壓轉(zhuǎn)換器 1 和 2 設(shè)置電壓。為了保持靈活性，可以連接一個(gè)外部電壓分配器來(lái)在 0.6V至輸入電壓 (Vbat) 范圍內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)換器 1 和轉(zhuǎn)換器 2 的輸出電壓。圖 4 顯示了設(shè)置轉(zhuǎn)換器 1 和轉(zhuǎn)換器 2 輸出電壓的一些選項(xiàng)。

圖4 設(shè)置轉(zhuǎn)換器1 和轉(zhuǎn)換器2 上的輸出電壓

三個(gè) LDO 中的兩個(gè)均具有一個(gè)單獨(dú)輸入電壓引腳，從而使它們可以在 1.5V 到 6.5V 的范圍內(nèi)由任何輸入電壓來(lái)供電。LDO3 由輸入電壓引腳 Vcc 內(nèi)部供電。另外，它還具有一個(gè)電壓比較器，其可以被用于探測(cè)電池電壓是否降至某一閾值以下，并向應(yīng)用處理器發(fā)出告警。