便攜及電池供電系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)

當(dāng)今的便攜應(yīng)用集成越來(lái)越多的功能。大趨勢(shì)是手機(jī)不單是移動(dòng)電話，還成為數(shù)碼相機(jī)(DSC)、移動(dòng)電視終端以及游戲機(jī)和多媒體終端?，F(xiàn)今的數(shù)字技術(shù)讓應(yīng)用處理器足夠?yàn)榻K端客戶提供這些功能。

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

除了功能劇增，手機(jī)用戶的另一項(xiàng)強(qiáng)烈要求在于外形尺寸。消費(fèi)者既不希望犧牲電池使用時(shí)間，也不希望集成額外功能而影響手機(jī)尺寸和外形尺寸。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，最佳的策略就是在主芯片組中集成越來(lái)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(jī)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(hào)處理及放大、白光發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器，以及比較器和用于鍵盤背光的電源驅(qū)動(dòng)器。這種方法的主要優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(gè)電源管理單元)，并將外形尺寸和經(jīng)濟(jì)限制保持在可控范圍之內(nèi)。顯而易見(jiàn)，這種方法優(yōu)勢(shì)多多，是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的主要方案。

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

圖，應(yīng)用處理器電源子系統(tǒng)IC示例

這需求增加的原因非常簡(jiǎn)單：僅使用標(biāo)準(zhǔn)方案，不嘗試與其它產(chǎn)品形成差異化——手機(jī)制造商推動(dòng)手機(jī)成為提供標(biāo)準(zhǔn)功能的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。這對(duì)那些對(duì)技術(shù)越來(lái)越敏感及越來(lái)越需要新功能的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，真的是不如人意。這樣一來(lái)，手機(jī)制造商必須將他們與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)，并利用會(huì)吸引消費(fèi)者喜好的新功能來(lái)提供不同之處。這就是我們所謂的“差異化”。這就驅(qū)使設(shè)計(jì)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(yīng)用處理器，并可能需要額外的電源系統(tǒng)。

另外一項(xiàng)能夠解釋這種需求增加趨勢(shì)的因素，是開(kāi)發(fā)周期時(shí)間越來(lái)越短。一方面，市場(chǎng)對(duì)新功能的需求推動(dòng)開(kāi)發(fā)周期時(shí)間越來(lái)越快；但另一方面，開(kāi)發(fā)集成這些新功能的新芯片組需要經(jīng)年累月的時(shí)間。在當(dāng)今這個(gè)快速變化的市場(chǎng)，工程師肯定不會(huì)坐等新芯片組的上市，并會(huì)選擇獨(dú)立IC及應(yīng)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(shè)計(jì)段如何導(dǎo)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(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員必須留神，從而提供讓人能夠接受的電池使用時(shí)間。雖然手機(jī)集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越豐富，但大多數(shù)功能處于關(guān)閉或休眠模式。實(shí)際上，用戶在觀看電影或電視時(shí)，MP3播放器功能應(yīng)當(dāng)關(guān)閉。設(shè)計(jì)人員通過(guò)確定各項(xiàng)功能應(yīng)當(dāng)何時(shí)及為何開(kāi)啟，就可以定義電源域(power domain)。例如，用戶使用藍(lán)牙語(yǔ)音通信功能時(shí)，所有與語(yǔ)音有關(guān)的信號(hào)處理都由藍(lán)牙模塊來(lái)操作。在這種情況下，主基帶中的語(yǔ)音處理功能應(yīng)當(dāng)關(guān)閉。據(jù)此應(yīng)該能夠獲得“藍(lán)牙語(yǔ)音通信電源域”定義、功率需求(應(yīng)該開(kāi)啟的電源模塊)及功率預(yù)算。這第一級(jí)的規(guī)范將幫助確定手機(jī)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)多少個(gè)電源系統(tǒng)，以及一定程度的功率間隔度。

根據(jù)應(yīng)用中要求的電源管理水平，每個(gè)電源域可以再劃分為不同的“子電源域”。最后，這個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)段將幫助確定手機(jī)工作需要的是哪些不同及獨(dú)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(dāng)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)人員必須針對(duì)前一個(gè)電源設(shè)計(jì)段中確定的各個(gè)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(shí)是，為了給高耗電的應(yīng)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(wú)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(gè)電源設(shè)計(jì)段的最后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)確定電源系統(tǒng)應(yīng)該含有多少數(shù)量的獨(dú)立電壓軌(voltage rail)、各個(gè)穩(wěn)壓器所選擇的類型，以及電源系統(tǒng)應(yīng)該給負(fù)載提供的最大電流。

確定先進(jìn)的電源管理功能

處理器內(nèi)核的供電電流會(huì)隨著時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)關(guān)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(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的公式可定義動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術(shù)。典型的應(yīng)用處理器電源子系統(tǒng)如圖所示。

DVS技術(shù)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(gè)電壓電平到另一個(gè)電壓電平的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，需要精度達(dá)3%的電源軌來(lái)提供良好的DVS性能。

DVS要求片上測(cè)量數(shù)字內(nèi)核的電壓負(fù)荷，這種片上測(cè)量以PMIC閉環(huán)的方式來(lái)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(kāi)關(guān)損耗降至最低。

現(xiàn)在，DVS還不是很普及，其中一個(gè)主要原因是它大幅增加了軟件復(fù)雜度。因此，設(shè)計(jì)復(fù)雜度與電池使用時(shí)間之間的權(quán)衡并沒(méi)有明顯的方案。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片上越來(lái)越多地嵌入及微編碼了所有必需的測(cè)量功能。這樣一來(lái)，復(fù)雜度就不再阻礙該技術(shù)更廣泛的普及。

支持這種技術(shù)的電源管理IC將越來(lái)越專用化，因?yàn)樾枰鶕?jù)它們處理器提供的性能及技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)備的主芯片組將會(huì)是帶有復(fù)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(gè)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(jìn)電源管理功能，可能導(dǎo)致選擇不同的電源管理子系統(tǒng)IC，這些IC專門用于各個(gè)應(yīng)用處理器，或由一組應(yīng)用處理器共用。

這種方法相比高集成度方案的主要優(yōu)勢(shì)首先就是為工程師提供高靈活度，能夠及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，適應(yīng)快速的市場(chǎng)變化及新功能要求。

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

結(jié)論

在手機(jī)中不可能擺脫使用集成PMIC作為內(nèi)核電源。IC以簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)結(jié)合高集成度、高能效方案以及高性價(jià)比的功能。然而，由于靈活性較差、IC及芯片組的開(kāi)發(fā)周期時(shí)間相對(duì)于手機(jī)增加功能的需求而言顯得較長(zhǎng)，以及制造商的差異化要求，用于應(yīng)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(chǎng)前景。假定供應(yīng)商能夠提供高性價(jià)比、小巧及高能效的方案，設(shè)計(jì)人員的選擇就非常多了。