用 IC 給移動(dòng)設(shè)備供電變得更容易了

引言

就像其他很多應(yīng)用一樣，低功率、高精度組件已經(jīng)使移動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)了迅速增長。然而，與其他很多應(yīng)用不同的是，面向工業(yè)、醫(yī)療及軍事應(yīng)用的便攜式產(chǎn)品一般對可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性的要求高得多。這類高要求產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。這類產(chǎn)品的一個(gè)共同特點(diǎn)是，必須在使用各種電源時(shí)正確工作且在各種電源之間無縫切換。因此，必須竭盡全力提供保護(hù)以及承受故障，在電池供電時(shí)最大限度延長運(yùn)行時(shí)間，并確保只要存在有效電源，就能夠可靠運(yùn)行。

顯然，滿足這些需求所需電源管理集成電路 (PMIC) 必須允許應(yīng)用由多種電源供電，其中可能包括交流適配器、USB 端口、汽車點(diǎn)煙器適配器或甚至鋰離子電池。如果 PMIC 集成了電源通路 (PowerPathTM) 控制功能，那么這一要求可能很容易滿足。這種方法確保系統(tǒng)電源保持不間斷，并容許外部電源和電池電源之間以熱插拔方式轉(zhuǎn)換。在有些情況下，PMIC 中可能還包括電池充電器。如果這樣，那么這種電池充電電路需要確保利用應(yīng)用不需要的多余電量給電池充電。此外，內(nèi)置保護(hù)電路有時(shí)是必要的，以抵御超過 30V 的外部過壓故障。最后，無負(fù)載靜態(tài)電流必須很低，以在很寬的負(fù)載及工作條件范圍內(nèi)提供最佳電源效率。這類功能對于任何產(chǎn)品的成功和實(shí)用性都是至關(guān)重要的。

行業(yè)趨勢

盡管產(chǎn)品尺寸越來越小，但是對功能的需求卻不斷增加。此外，現(xiàn)在的業(yè)界趨勢是，為移動(dòng)產(chǎn)品供電的微處理器 (µP)、微控制器 (µC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 等尖端數(shù)字 IC 不斷降低其工作電壓，但與此同時(shí)卻不斷提高其安培數(shù)。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，微處理器是最流行的器件，飛思卡爾、英特爾、NVIDIA、三星以及其他供應(yīng)商所提供采用各種節(jié)電方式的產(chǎn)品也越來越多。這些產(chǎn)品用來跨多個(gè)細(xì)分市場，使多種便攜式、無線及移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用實(shí)現(xiàn)低功耗和很高的處理性能。

使用這些處理器最初的目的是，幫助 OEM 開發(fā)更小、更具成本效益、電池壽命更長的便攜式手持設(shè)備，同時(shí)提供增強(qiáng)的計(jì)算性能，以運(yùn)行功能豐富的多媒體應(yīng)用。然而，非便攜式應(yīng)用現(xiàn)在也開始需要同樣高的電源效率和處理性能了。例如，汽車信息娛樂系統(tǒng)和其他嵌入式應(yīng)用都需要類似水平的電源效率和處理能力。在所有情況下，要正確控制和監(jiān)視微處理器電源，以使這些處理器的性能優(yōu)勢全部發(fā)揮出來，就必須使用高度專業(yè)化、高性能的電源管理 IC。

如今的工業(yè)和醫(yī)療移動(dòng)設(shè)備很多在電源加電以及給各種不同的電路加電時(shí)，都需要受控和經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的排序功能。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活性及簡單的排序方法不僅使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更容易，也提高了系統(tǒng)可靠性，并使單個(gè) PMIC 在系統(tǒng)中能夠應(yīng)對更廣泛的組件，而不是僅滿足一個(gè)具體的處理器的需求。

歷史上，許多 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統(tǒng)和微處理器所需的功率。任何旨在滿足已簡述之工業(yè)或醫(yī)療電源管理 IC 設(shè)計(jì)限制條件的解決方案都必須實(shí)現(xiàn)高集成度的整合，包括大電流開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO、寬工作溫度范圍、電源排序和重要參數(shù)的動(dòng)態(tài) I2C 控制以及難以制作的功能部件。此外，具高開關(guān)頻率的器件允許使用更小的外部組件，同時(shí)陶瓷電容器可降低輸出紋波。這種低紋波與準(zhǔn)確、響應(yīng)速度很快的穩(wěn)壓器相結(jié)合，可滿足 45nm 型處理器苛刻的電壓容限要求。這樣的電源 IC 還必須能夠滿足嚴(yán)格的環(huán)境限制，諸如提供輻射抑制，即使輸入電壓直接由電池本身提供。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)今的智能手機(jī)和平板電腦設(shè)計(jì)師面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。其中包括需要高性能電源管理系統(tǒng)，以顧及日益提高的系統(tǒng)復(fù)雜性和更高的功率預(yù)算。這些系統(tǒng)努力在較長電池運(yùn)行時(shí)間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小尺寸、有效的熱量管理等相互排斥的目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。

所有智能手機(jī)和平板電腦的一個(gè)共同目標(biāo)是，在目前的水平上，進(jìn)一步降低它們所消耗的功率。任何系統(tǒng)的功耗都能夠以兩種方式應(yīng)對：首先，跨整個(gè)負(fù)載電流范圍最大限度提高轉(zhuǎn)換效率;其次，降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在所有工作模式時(shí)的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗過程中發(fā)揮積極作用，電源轉(zhuǎn)換和管理 IC 必須更高效，且在所有工作條件下，具備更低的功耗水平。

為了滿足這些特定要求，凌力爾特在很多電源管理及轉(zhuǎn)換 IC 中納入了突發(fā)模式 (Burst Mode®) 技術(shù)。這種技術(shù)最大限度降低了 IC 本身在備用模式時(shí)所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低于 20mA。

直到不久前，鋰離子電池供電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師一直用兩種基本方法應(yīng)對由于電池尺寸小因而容量有限的挑戰(zhàn)。一種方法是設(shè)計(jì)使用單獨(dú)組件的系統(tǒng)，每個(gè)組件為單一功能而優(yōu)化。這種方法提供最大的設(shè)計(jì)、布局和熱量管理靈活性，同時(shí)使每種功能實(shí)現(xiàn)了恰當(dāng)?shù)男阅芩?。但是這種方法有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即成本相對較高，需要占用大量電路板空間，以滿足日益增加的功能需求。

另一種替代方案是設(shè)計(jì)師可以從多種高集成度 PMIC 中進(jìn)行選擇。這些器件所支持的功能通常超出大多數(shù)應(yīng)用的實(shí)際需要，包括開關(guān) DC/DC 控制器、單片式開關(guān)電源和眾多集成型 LDO 與無關(guān)的混合信號功能部件 (例如：觸屏控制器、音頻編解碼器等等) 的笨拙組合。結(jié)果，這些 PMIC 可能十分笨拙，難以使用，而且大多數(shù)需要僅為器件接通而大量投資開發(fā)固件。這類產(chǎn)品往往更重視集成而不是性能，常常由于將熱量集中到產(chǎn)品內(nèi)的單個(gè)“熱點(diǎn)” 上而使熱量管理更加復(fù)雜。諷刺的是這類高集成度解決方案也需要占用相對較多的電路板空間，因?yàn)樗鼈兊姆庋b較大、引腳數(shù)較多。最后，這類解決方案迫使設(shè)計(jì)師大膽安排電路板布局，以顧及所有有關(guān)外部組件 (MOSFET、電感器、二極管和各種無源組件)，以及顧及從 PMIC 跨整個(gè)系統(tǒng)到各種負(fù)載所需的有關(guān)布線。

不過，現(xiàn)在有一種新的方法可用，這種方法介于使用多個(gè)電源 IC 或使用高度復(fù)雜的 PMIC 這兩種方法之間，是一種適度集成但功能強(qiáng)大的 PMIC。這個(gè) IC 就是凌力爾特不久前推出的 LTC3676 / LTC3676-1。

LTC3676 / LTC3676-1 是完整的電源管理解決方案，適用于飛思卡爾 i.MX6 處理器、基于 ARM 的處理器以及其他先進(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。LTC3676 / LTC3676-1 含有 4 個(gè)同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，每個(gè)都可為內(nèi)核、存儲器、I/O 和系統(tǒng)級芯片 (SoC) 軌提供高達(dá) 2.5A 的電流，該器件還含有 3 個(gè)面向低噪聲模擬電源的 300mA 線性穩(wěn)壓器。為提供 / 吸收電流和跟蹤運(yùn)行情況，LTC3676-1 配置一個(gè) 1.5A 降壓型穩(wěn)壓器，以支持 DDR 存儲器終止，該器件還為 DDR 增加了一個(gè) VTTR 基準(zhǔn)輸出。這兩個(gè)引腳從功能上取代了 LTC3676 LDO4 的使能引腳和反饋引腳。LDO 4 仍然可通過 I2C 編程。高度可配置的電源排序功能、動(dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)、按鈕接口控制器以及通過 I2C 接口實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓器控制功能支持多個(gè)穩(wěn)壓器，另外通過中斷信號輸出，還提供廣泛的狀態(tài)和故障報(bào)告。LTC3676 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 處理器，具有 8 個(gè)處于合適功率級的獨(dú)立電源軌以及動(dòng)態(tài)控制和排序功能。其他特點(diǎn)包括接口信號，例如：待機(jī)電壓 (VSTB) 引腳，其同時(shí)在多達(dá) 4 個(gè)電源軌上切換編程運(yùn)行與待機(jī)輸出電壓。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm x 0.75mm 裸露焊盤 QFN 封裝。

圖 1：簡化的 LTC3676-1 典型應(yīng)用原理圖

面向應(yīng)用處理器的 LTC3676 電源管理解決方案可應(yīng)對前述的工業(yè)和軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。LTC3676IUJ 是高溫 (I-級) 版本，額定結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C，非常容易滿足高溫工作要求。該 IC 包括專為結(jié)溫監(jiān)視提供的過熱警告標(biāo)記和中斷信號，還包括過熱硬停機(jī)，以在功耗管理不當(dāng)或萬一出現(xiàn)嚴(yán)重故障情況時(shí)可靠保護(hù)硬件。

LTC3676 PWM 開關(guān)頻率專門調(diào)整到 2.25MHz，有保證的頻率范圍為 1.7MHz 至 2.7MHz。其內(nèi)部穩(wěn)壓器還可以設(shè)定為強(qiáng)制連續(xù) PWM 工作模式，以防止在脈沖跳躍模式或突發(fā)模式甚至在輕負(fù)載時(shí)工作。這不僅保持了頻率固定，而且進(jìn)一步降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。

結(jié)論

為工業(yè)、醫(yī)療或軍用細(xì)分市場設(shè)計(jì)新式移動(dòng)設(shè)備是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)樵诔叽缛找婵s小的空間中提供強(qiáng)大處理能力的要求看似截然相反。不過，由于有了如凌力爾特等供應(yīng)商提供的器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以采用“折中”方法，用適度集成的 PMIC 滿足電源需求。與使用單獨(dú)的 IC 一步一步地搭建系統(tǒng)或者使用復(fù)雜笨拙、高度集成、滿足所有功能和固件需求的 PMIC 這兩種方法相比，這種折中方法更加實(shí)用。

無論哪種方式，選擇的是他們做!!!