便攜及電池供電系統(tǒng)電源管理設計

當今的便攜應用集成越來越多的功能。大趨勢是手機不單是移動電話，還成為數(shù)碼相機(DSC)、移動電視終端以及游戲機和多媒體終端?，F(xiàn)今的數(shù)字技術讓應用處理器足夠為終端客戶提供這些功能。

然而，這種功能劇增的代價是功率消耗越來越高。由于電池容量及技術方面的改進步伐非常緩慢，工程師面臨兩項主要挑戰(zhàn)。首先，他們必須適應這種結(jié)合了許多功能的高集成度；其次，他們必須提供長的電池使用時間。

除了功能劇增，手機用戶的另一項強烈要求在于外形尺寸。消費者既不希望犧牲電池使用時間，也不希望集成額外功能而影響手機尺寸和外形尺寸。

為了應對這些挑戰(zhàn)，最佳的策略就是在主芯片組中集成越來越多的功能，從而產(chǎn)生雙芯片或三芯片方案，并配有集成的電源管理集成電路(PMIC)。PMIC除了為手機供電，還可以集成所需的全部模擬功能，如電池充電器、USB OTG收發(fā)器、音頻信號處理及放大、白光發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器，以及比較器和用于鍵盤背光的電源驅(qū)動器。這種方法的主要優(yōu)勢是簡化設計，將控制電源所需的資源減至最少(僅雙線式I2C總線能夠控制整個電源管理單元)，并將外形尺寸和經(jīng)濟限制保持在可控范圍之內(nèi)。顯而易見，這種方法優(yōu)勢多多，是應對這些挑戰(zhàn)的主要方案。

然而，盡管PMIC中集成了越來越多的電源功能，但隨著新一代手機的出現(xiàn)，集成度相對較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也增加了。

圖，應用處理器電源子系統(tǒng)IC示例

這需求增加的原因非常簡單：僅使用標準方案，不嘗試與其它產(chǎn)品形成差異化——手機制造商推動手機成為提供標準功能的標準設備。這對那些對技術越來越敏感及越來越需要新功能的消費者來說，真的是不如人意。這樣一來，手機制造商必須將他們與競爭對手區(qū)分開來，并利用會吸引消費者喜好的新功能來提供不同之處。這就是我們所謂的“差異化”。這就驅(qū)使設計人員增加并未集成在基本芯片組中的特別功能，而這可能需要額外的應用處理器，并可能需要額外的電源系統(tǒng)。

另外一項能夠解釋這種需求增加趨勢的因素，是開發(fā)周期時間越來越短。一方面，市場對新功能的需求推動開發(fā)周期時間越來越快；但另一方面，開發(fā)集成這些新功能的新芯片組需要經(jīng)年累月的時間。在當今這個快速變化的市場，工程師肯定不會坐等新芯片組的上市，并會選擇獨立IC及應用處理器。

下面部分的討論將從電源架構(gòu)系統(tǒng)角度，展示電源設計段如何導致不同的架構(gòu)及不同的IC選擇。

確定“電源域”

確定系統(tǒng)的電源管理方案并不簡單，設計人員必須留神，從而提供讓人能夠接受的電池使用時間。雖然手機集成度越來越高，功能越來越豐富，但大多數(shù)功能處于關閉或休眠模式。實際上，用戶在觀看電影或電視時，MP3播放器功能應當關閉。設計人員通過確定各項功能應當何時及為何開啟，就可以定義電源域(power domain)。例如，用戶使用藍牙語音通信功能時，所有與語音有關的信號處理都由藍牙模塊來操作。在這種情況下，主基帶中的語音處理功能應當關閉。據(jù)此應該能夠獲得“藍牙語音通信電源域”定義、功率需求(應該開啟的電源模塊)及功率預算。這第一級的規(guī)范將幫助確定手機應當設計多少個電源系統(tǒng)，以及一定程度的功率間隔度。

根據(jù)應用中要求的電源管理水平，每個電源域可以再劃分為不同的“子電源域”。最后，這個非常重要的設計段將幫助確定手機工作需要的是哪些不同及獨立的電源穩(wěn)壓器。

確定穩(wěn)壓器

跟電源域研究不同，穩(wěn)壓器的確定相當簡單。設計人員必須針對前一個電源設計段中確定的各個功率間隔度，選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。

這里的選擇主要由需要供電的穩(wěn)壓器的功能決定?，F(xiàn)在一般的共識是，為了給高耗電的應用處理器供電，工程師除了使用電感型DC-DC轉(zhuǎn)換器之外，別無選擇。這類DC-DC轉(zhuǎn)換器具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以及低散熱、小尺寸和少外部元件數(shù)量等特性。但另一方面，射頻及噪聲敏感型功能的模擬電源(Vcc)可能仍需要使用低噪聲的LDO。

在這個電源設計段的最后，設計人員應當確定電源系統(tǒng)應該含有多少數(shù)量的獨立電壓軌(voltage rail)、各個穩(wěn)壓器所選擇的類型，以及電源系統(tǒng)應該給負載提供的最大電流。

確定先進的電源管理功能

處理器內(nèi)核的供電電流會隨著時鐘頻率及電壓而變化。如果忽略直流泄漏電流，功率耗散近似值由公式PD=CV2f(其中C為各個時鐘周期開關的電容，V為電壓，f為頻率)確定。雖然由于集成芯片并不僅使用CMOS電路的緣故，這個等式并不是非常精確，但功率耗散還是隨著電壓的平方及隨著頻率而線性減少。這個簡單的公式可定義動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術。典型的應用處理器電源子系統(tǒng)如圖所示。

DVS技術非常有效，然而它需要非常精確的穩(wěn)壓及非常高的穩(wěn)壓精度，以及從一個電壓電平到另一個電壓電平的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，需要精度達3%的電源軌來提供良好的DVS性能。

DVS要求片上測量數(shù)字內(nèi)核的電壓負荷，這種片上測量以PMIC閉環(huán)的方式來使用，以及調(diào)節(jié)電源電壓。這使數(shù)字內(nèi)核能夠以優(yōu)化的電壓工作，并將開關損耗降至最低。

現(xiàn)在，DVS還不是很普及，其中一個主要原因是它大幅增加了軟件復雜度。因此，設計復雜度與電池使用時間之間的權(quán)衡并沒有明顯的方案。然而，隨著技術的進步，芯片上越來越多地嵌入及微編碼了所有必需的測量功能。這樣一來，復雜度就不再阻礙該技術更廣泛的普及。

支持這種技術的電源管理IC將越來越專用化，因為需要根據(jù)它們處理器提供的性能及技術來設計這些電源管理IC。

確定電源管理功能的架構(gòu)

如前所述，手機設備的主芯片組將會是帶有復雜電源管理單元(PMU)的高集成度雙芯片或三芯片方案。但是，在這個主PMU上，電源管理結(jié)構(gòu)定義期間確定的電源域及電源間隔度，以及工程師選定的先進電源管理功能，可能導致選擇不同的電源管理子系統(tǒng)IC，這些IC專門用于各個應用處理器，或由一組應用處理器共用。

這種方法相比高集成度方案的主要優(yōu)勢首先就是為工程師提供高靈活度，能夠及時調(diào)整設計，適應快速的市場變化及新功能要求。

除此之外，無法使用GPIO輸入來提供電源管理子系統(tǒng)IC的可編程能力等級。IC將與處理器串行鏈接，而鏈接總線可以是SPI、I2C，或者更復雜的MIPI總線。

結(jié)論

在手機中不可能擺脫使用集成PMIC作為內(nèi)核電源。IC以簡單的設計結(jié)合高集成度、高能效方案以及高性價比的功能。然而，由于靈活性較差、IC及芯片組的開發(fā)周期時間相對于手機增加功能的需求而言顯得較長，以及制造商的差異化要求，用于應用處理器的小尺寸DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源子系統(tǒng)仍然擁有很好的市場前景。假定供應商能夠提供高性價比、小巧及高能效的方案，設計人員的選擇就非常多了。