適合便攜式醫(yī)療儀器的高集成度電源IC

采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)需要大量大電流、低壓軌，典型情況為1.8V或更低。除了無數(shù)的低壓軌，這些應(yīng)用中很多還需要3V或3.3V電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅(qū)動器、存儲器、面向外部邏輯電路的I/O電源等供電。在嵌入式應(yīng)用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型DC/DC或LDO產(chǎn)生。

　　近來，這種同時(shí)要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)和醫(yī)療便攜式應(yīng)用。作為最新和功能豐富的高端消費(fèi)類便攜式設(shè)備，手持式數(shù)據(jù)收集設(shè)備、堅(jiān)固耐用的庫存控制和跟蹤設(shè)備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式EKG設(shè)備以及其他便攜式醫(yī)療設(shè)備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設(shè)備必須堅(jiān)固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜”的。

　　就便攜式應(yīng)用而言，主電源一般是大型單節(jié)鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產(chǎn)品中3.3V系統(tǒng)電源的電壓。不管這類“便攜式”處理器系統(tǒng)是否是電池供電的，伴隨它們而來的其他復(fù)雜性包括：需要以特定順序?qū)λ须娫吹慕油ê蛿嚅_排序；視系統(tǒng)處理需求的不同而不同，要能夠動態(tài)地調(diào)高和調(diào)低電源電壓。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，滿足所有微處理器和有關(guān)應(yīng)用的電源需求的單個(gè)集成式解決方案極其有利。要在多種應(yīng)用中滿足這些需求，就需要一個(gè)高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

圖1 LTC3589的簡化方框圖

　　降壓-升壓功能的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　今天功能豐富的新式電子系統(tǒng)大多數(shù)仍然需要+3V范圍內(nèi)的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統(tǒng)中的I/O或者外部設(shè)備軌供電。在電源管理IC(PMIC)中集成同步降壓-升壓開關(guān)功能后，允許跨2.7～5.5V的整個(gè)輸入電壓范圍以高效率實(shí)現(xiàn) 3.3V調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效率比簡單的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器挑戰(zhàn)性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，更是這樣。

　　減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

　　很多任務(wù)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PMIC都帶有各種內(nèi)置的線性穩(wěn)壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設(shè)計(jì)的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線性穩(wěn)壓器進(jìn)行正確管理，那么線性穩(wěn)壓器可能在PC板上產(chǎn)生局部的熱量“熱點(diǎn)”?；蛘?，當(dāng)輸入和輸出電壓之差很大，或如果輸出電流很大時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內(nèi)置低壓μP和具功能豐富的器件中，開關(guān)穩(wěn)壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關(guān)模式的電源越來越重要了。不過，LDO提供低噪聲輸出和很高的PSRR性能，因此，必須*估這兩種權(quán)衡之策。在很多情況下，恰當(dāng)?shù)腎C分區(qū)包括兩種類型的穩(wěn)壓器。

　　今天，幾乎所有應(yīng)用都對系統(tǒng)中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關(guān)工作電流的上升，用開關(guān)穩(wěn)壓器取代LDO變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因?yàn)閱蝹€(gè)IC散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執(zhí)行的處理操作的不同而不同，實(shí)現(xiàn)最佳功耗需要對很多內(nèi)核處理軌進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。要以較高的時(shí)鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務(wù)不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應(yīng)的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)處理器電壓源需要諸如I2C這樣的串行端口來通報(bào)所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個(gè)同樣靈活和可編程的電源解決方案。

　　便攜式醫(yī)療和工業(yè)儀器中的電源管理問題

　　如同其他很多應(yīng)用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應(yīng)用不同，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)。這種負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確工作，而且視設(shè)計(jì)和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護(hù)設(shè)備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時(shí)最大限度地延長工作時(shí)間，并確保無論何時(shí)，只要有效電源存在，就能可靠運(yùn)行。

　　此外，功率值隨著功能和有關(guān)電壓軌數(shù)量的增加而增加。除了遙遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用所需維護(hù)要少、能承受極端的溫度變化以及受到機(jī)械振動或沖擊時(shí)不會損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設(shè)備與醫(yī)療設(shè)備有很多相同的要求。

　　總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

　　● 集成降壓-升壓型穩(wěn)壓器

　　● 在功耗與多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器及LDO的高集成度之間權(quán)衡

　　● 集成動態(tài)I2C控制

　　● 工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和堅(jiān)固性要求

　　● 解決方案尺寸和占板面積

　　一個(gè)簡單的解決方案

　　過去的工業(yè)PMIC沒有足夠的功率來應(yīng)對這些新式系統(tǒng)和微處理器。滿足上述電源管理IC設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO；以諸如降壓-升壓型穩(wěn)壓器等難以使用的功能構(gòu)件對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動態(tài)I2C控制。此外，一個(gè)具有高開關(guān)頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。

　　面向新式處理器的大功率PMIC

　　LTC3589是一個(gè)完整的電源管理解決方案，面向基于ARM的處理器和先進(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。該器件含有：3個(gè)同步降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，分別用于內(nèi)核、存儲器和SoC軌；一個(gè)同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器，用于2.5～5V的I/O；3個(gè)250mA的LDO穩(wěn)壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動、輸出電壓值、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換率、工作模式以及狀態(tài)報(bào)告。以所希望的順序?qū)⒎€(wěn)壓器輸出連接到使能引腳或通過I2C端口，可對穩(wěn)壓器啟動排序。通過一個(gè)按鈕接口、引腳輸入或I2C接口，可控制系統(tǒng)的加電、斷電及復(fù)位功能。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個(gè)使能序列之前確保一個(gè)干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制(例如，存儲器，當(dāng)其必須在停機(jī)模式中保持運(yùn)行時(shí))。LTC3589以8個(gè)獨(dú)立軌、恰當(dāng)?shù)墓β手?、動態(tài)控制和排序支持i.MX、PXA和OMAP處理器。其他特點(diǎn)包括VSTB引腳等提供的接口信號，該引腳同時(shí)在多達(dá)4個(gè)軌上、于設(shè)定的運(yùn)行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平40引腳6mm×6mm裸露焊盤QFN封裝。

圖2 LTC3589 LDO穩(wěn)壓器應(yīng)用電路

圖3 LTC3589降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用電路

　　高集成度－支持多個(gè)大功率軌

　　LTC3589是一個(gè)面向便攜式微處理器和外部設(shè)備的完整電源管理解決方案。它總共提供8個(gè)電壓軌，以給處理器內(nèi)核、SDRAM、系統(tǒng)存儲器、PC卡、始終保持接通的實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及HDD功能組件供電。提供這些電壓軌的是一個(gè)始終保持接通的低靜態(tài)電流25mA LDO、一個(gè)1.6A和兩個(gè)1A降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè)1.2A降壓-升壓型穩(wěn)壓器以及3個(gè)250mA的低壓差線性穩(wěn)壓器。支持多個(gè)穩(wěn)壓器的是高度可配置的電源排序功能、動態(tài)電壓轉(zhuǎn)換DAC輸出電壓控制、一個(gè)按鈕接口控制器、通過I2C接口的穩(wěn)壓器控制以及大量狀態(tài)報(bào)告和中斷輸出。

　　LTC3589的內(nèi)部補(bǔ)償、恒定頻率電流模式降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器提供1A和1.6A的電流。就每一個(gè)采用I2C命令寄存器的降壓型穩(wěn)壓器而言，降壓型穩(wěn)壓器2.25MHz或1.125MHz的開關(guān)頻率(包括相位)是獨(dú)立選擇的。加電默認(rèn)頻率是2.25MHz，而且含有邊緣速率調(diào)整以降低EMI。每個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器都有動態(tài)轉(zhuǎn)換的DAC輸入基準(zhǔn)和外部反饋引腳，以設(shè)置輸出電壓范圍。這些降壓型穩(wěn)壓器的3種工作模式──脈沖跳躍模式、突發(fā)模式(Burst Mode)工作或強(qiáng)制連續(xù)模式──用I2C接口設(shè)定。在脈沖跳躍模式時(shí)，穩(wěn)壓器會支持100%占空比。突發(fā)模式工作在低輸出負(fù)載時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)最高效率。除了電壓輸出設(shè)定點(diǎn)之間的最佳動態(tài)轉(zhuǎn)換控制以外，強(qiáng)制連續(xù)模式還在輕負(fù)載時(shí)最大限度地降低了輸出電壓紋波。

　　單電感器、4開關(guān)降壓-升壓型DC/DC電壓模式轉(zhuǎn)換器從2.5～5V電壓產(chǎn)生一個(gè)用戶可編程的輸出電壓軌。該降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器利用專有開關(guān)算法，以高于、低于或等于所需輸出軌的輸入電壓保持高效率和低噪聲工作。降壓-升壓誤差放大器采用一個(gè)固定的0.8V基準(zhǔn)，而且輸出電壓通過一個(gè)外部電阻器分壓器設(shè)定。突發(fā)模式工作通過I2C控制寄存器啟動。就降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器而言，無須外部補(bǔ)償組件。

　　動態(tài)電壓軌控制和其他I2C控制的功能

　　LTC3589具有高端便攜式應(yīng)用處理器所需的I2C控制功能、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling)和可選電壓轉(zhuǎn)換設(shè)置。為了使該IC的轉(zhuǎn)換DAC基準(zhǔn)能夠工作，3個(gè)LTC3589降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器LDO2具有可編程DAC基準(zhǔn)輸入。每個(gè)DAC在0.3625～0.75V范圍內(nèi)都是可按照12.5mV步進(jìn)編程的。

　　也可以命令DAC基準(zhǔn)以4個(gè)可選轉(zhuǎn)換率之一、獨(dú)立地在兩個(gè)電壓之間轉(zhuǎn)換。每個(gè)DAC都有兩個(gè)獨(dú)立的輸出電壓寄存器以及電壓寄存器選擇、轉(zhuǎn)換率和啟動控制。不必為改變DAC輸出而啟動這些穩(wěn)壓器。

　　圖4顯示降壓型穩(wěn)壓器1、2、3和LDO2以4種可能的轉(zhuǎn)換率在0.8～1.2V之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換由VSTB引腳(灰色)啟動。這些值是8個(gè)單獨(dú)的DAC代碼。

圖4 LTC3589動態(tài)電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換

　　通用I2C串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動、輸出電壓值、工作模式和狀態(tài)報(bào)告。LTC3589上的I2C串行端口含有13個(gè)用來控制每個(gè)穩(wěn)壓器的命令寄存器、一個(gè)用來監(jiān)視每個(gè)穩(wěn)壓器電源良好狀態(tài)的只讀寄存器、一個(gè)用來讀取IRQ事件原因的只讀寄存器和一個(gè)清除IRQ命令寄存器。LTC3589 I2C端口支持對任何寄存器的隨機(jī)尋址，而且可以利用多種START順序、按照任何順序?qū)懠拇嫫?。所有寄存器都可以回讀，以驗(yàn)證軟件和硬件的完整性。