如何為筆記本電腦選擇合適的電源管理IC

　　在筆記本電腦中，高效率的電源管理電路能夠提供較長(zhǎng)的電池壽命，而且只占用較小的電路板尺寸，同時(shí)還可以提供低噪聲、低成本、極短的設(shè)計(jì)周期等優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)的模擬IC公司針對(duì)各種便攜產(chǎn)品推出了眾多電源管理IC，對(duì)于筆記本電腦設(shè)計(jì)者來說，首先需要考慮的是根據(jù)特定設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇合適的產(chǎn)品。

　　如果把CPU看作筆記本電腦的大腦，遍布整個(gè)主板的電源則被視為心臟和血管 — 將能量輸送到大腦及系統(tǒng)的其它部分。不同負(fù)載需要不同類型的電源，但共用同一輸入電源，輸入電壓范圍從7V直至20V。產(chǎn)生5V以及3.3V總線電源的電池充電器、主調(diào)節(jié)器，以及為圖形芯片組、DDR內(nèi)存、I/O控制器和CPU核供電的調(diào)節(jié)器都是典型的降壓型開關(guān)調(diào)整器，如同步整流變換器。唯一具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源就是CCFL背光逆變器，位于面板組件。

　　Maxim作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的模擬IC供應(yīng)商，為筆記本平臺(tái)提供了數(shù)百種電源管理IC。電源管理方案的關(guān)鍵特性決定了電池工作壽命、系統(tǒng)性能、成本，這些特性包括控制架構(gòu)、輕載模式、功率開關(guān)的選擇等。除了這些關(guān)鍵特性外，保護(hù)電路在筆記本電腦中也非常重要。

　　圖1 筆記本電源管理IC提供不同的集成度：（a）分立控制器和驅(qū)動(dòng)IC、外置開關(guān)管；（b）集成控制器和驅(qū)動(dòng)器；（c）內(nèi)置MOSFET開關(guān)的集成產(chǎn)品，用于4A以下的系統(tǒng)供電。

　　控制架構(gòu)

　　在筆記本電腦中，要求DC－DC轉(zhuǎn)換器能夠精確地調(diào)整其輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)通過反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)，該控制環(huán)路在每個(gè)開關(guān)周期將能量從輸入源傳遞到輸出負(fù)載。對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度主要取決于控制方案。傳統(tǒng)的固定頻率PWM控制架構(gòu)之所以應(yīng)用廣泛，主要有兩個(gè)原因：可以選擇開關(guān)頻率以避開455kHz中頻等噪聲敏感區(qū)域，電感紋波電流保持相對(duì)穩(wěn)定，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和輸出紋波電壓的估算。但是，開關(guān)操作所固有的延遲（負(fù)載瞬變與后續(xù)時(shí)鐘之間的延時(shí)）也會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)。實(shí)際系統(tǒng)的環(huán)路帶寬一般在開關(guān)頻率的1/6和1/10之間，需要較大的去耦電容來滿足嚴(yán)格的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求。

　　“滯回控制”結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“固定頻率控制”結(jié)構(gòu)，因此成為一種非常流行的架構(gòu)。不存在時(shí)鐘，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)負(fù)載變化，并且需要更少的輸出儲(chǔ)能電容。例如，Maxim專有的Quick-PWMTM控制架構(gòu)，融合了固定頻率控制和滯回控制架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。這種架構(gòu)的核心電路是快速、低抖動(dòng)、可調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)，設(shè)置高端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。雖然沒有固定頻率時(shí)鐘發(fā)生器，所采用的算法能夠平衡電感電流，保證接近恒定的開關(guān)頻率。

　　輕載模式

　　提高輕載效率是延長(zhǎng)筆記本電腦電池壽命的關(guān)鍵，雖然強(qiáng)制PWM模式可以維持相對(duì)恒定的開關(guān)頻率，但卻在空載使造成10mA至50mA的電池?fù)p耗，具體取決于開關(guān)頻率和外部MOSFET。強(qiáng)制PWM模式非常適合低噪聲、高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，而且能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)提供吸電流能力，在基于反激變壓器或耦合電感的多輸出電壓設(shè)計(jì)中能夠減少交叉調(diào)整問題。

　　為了使空載電池電流最小，在電感電流為零時(shí)關(guān)閉低邊開關(guān)，并將關(guān)閉狀態(tài)保持到輸出電壓跌落至設(shè)定點(diǎn)為止，這種架構(gòu)隨著負(fù)載電流的降低可以有效降低開關(guān)頻率。啟動(dòng)輕載跳脈沖模式時(shí)，開關(guān)波形會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲，并且不同步，這是一種正常的工作模式，可提高輕載效率。

　　跳脈沖模式下，低于20kHz的頻率可能產(chǎn)生音頻噪聲。一些控制器能夠?qū)⒆畹皖l率限制在25kHz，假如在最后28μs內(nèi)沒有開關(guān)操作，則開啟超聲跳脈沖模式。低邊開關(guān)首先導(dǎo)通，以降低電感中的負(fù)電流，當(dāng)電感電流達(dá)到設(shè)定的負(fù)電流門限時(shí)，啟動(dòng)開關(guān)周期。

　　功率開關(guān)的選擇

　　完整的DC－DC轉(zhuǎn)換器包括控制器、驅(qū)動(dòng)器以及功率電路。可以分別設(shè)計(jì)這些基本單元，也可以將其集成在一起（圖1）。圖1a集成度最低，但為客戶優(yōu)化系統(tǒng)提供便利條件。輸出電流可以通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)器和MOSFET進(jìn)行設(shè)置；缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電路布板和較高的系統(tǒng)成本。

　　圖1b將控制器和驅(qū)動(dòng)器集成在一起，Maxim用于筆記本電腦的功率管理IC多數(shù)為這種架構(gòu)。該架構(gòu)允許用戶設(shè)計(jì)不同級(jí)別的輸出電流 （從幾個(gè)安培的主電源到45A的核電源），布板比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本也更低。

　　對(duì)于小于4A輸出電流的應(yīng)用（DDR電源和一些GPU電源），圖1c所示內(nèi)置開關(guān)電路更具成本優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)通常能夠工作在更高的開關(guān)頻率，從而減少無源元件，如輸出電感和輸出電容的尺寸。如MAX1536降壓調(diào)節(jié)器，其特點(diǎn)是內(nèi)部集成PMOS高邊開關(guān)以及內(nèi)置NMOS同步整流器，并可工作在1.4MHz開關(guān)頻率下，為負(fù)載提供3.6A的電流。同樣重要的是，該器件封裝在一個(gè)很小的28引腳5×5mm的薄型QFN封裝內(nèi)。

　　保護(hù)電路

　　筆記本電源管理IC包含了所有典型保護(hù)電路：輸入欠壓關(guān)斷、輸出過壓、輸出欠壓、電流限制、ESD保護(hù)、熱關(guān)斷等。一些最新推出的IC還具有一些先進(jìn)功能，如輸出功率監(jiān)測(cè)及電感飽和保護(hù)等。