UMPC和MID的電源系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)及解決辦法

UMPC(超便攜移動個人電腦)和MID(移動互聯(lián)網(wǎng)終端)是近年來最具成長潛力的便攜式電子產(chǎn)品。作為一種硬件設(shè)計小巧輕便的設(shè)備，通過UMPC，用戶可以享受移動互聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢，還可以在移動過程中訪問多種辦公應(yīng)用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類似，同樣為便于攜帶的移動PC產(chǎn)品，便于用戶隨時享受影音娛樂、進(jìn)行郵件收發(fā)等操作。

更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移動特性使得UMPC和MID產(chǎn)品對電源系統(tǒng)的性能、功耗、保護(hù)及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID產(chǎn)品需要向處理器、存儲器、顯示器和其它部分提供不同的工作電壓，以減少處理器消耗的電量，延長電池的運行時間，并提高電池的供電效率。因此，本文將從UMPC和MID中的處理器、存儲器、顯示器這幾個方面著手對其電源系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行深入探討。

多個電壓軌的安排成為一大挑戰(zhàn)

UMPC和MID設(shè)備現(xiàn)已成為一個集成多種功能的平臺，該平臺上匯集了消費者所能想象的幾乎所有功能，如移動電話、網(wǎng)頁瀏覽、辦公軟件、電子郵件、藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戲、數(shù)碼相機(jī)、移動電視、多媒體播放器等等。無疑，如此高的集成度將給電源系統(tǒng)設(shè)計帶來重大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括高功耗、散熱、高效電源管理、EMI和噪聲消除等問題。飛兆半導(dǎo)體公司(Fairchild)資深工程師李仁果認(rèn)為，解決上述挑戰(zhàn)的途徑包括：利用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)解決方案提高功效；通過良好的電路板布局改進(jìn)散熱和EMI；高性能DC/DC功率模塊加上具有低噪聲LDO的低VIN解決方案在設(shè)計靈活性、易用性和成本因素方面優(yōu)于電源管理單元(PMU)。

在將上述多個功能模塊組合在一起時，由于每一個內(nèi)核芯片都有其自己的上電順序，因此系統(tǒng)設(shè)計人員不能像在功能手機(jī)中那樣共享電壓軌。“在3×3英寸的面積中安排多達(dá)20多個電壓軌是一個巨大的挑戰(zhàn)。集成的電源解決方案應(yīng)該是一個不錯的解決方案。但對于芯片設(shè)計人員而言，如何在靈活性和集成度之間實現(xiàn)平衡是一個非常大的挑戰(zhàn)。”德州儀器(TI)中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為表示。

但所有的功能模塊并不需要在同一時間內(nèi)使用，因此總體而言，電池容量足以支持功能擴(kuò)展的趨勢。此外，MID/UMPC并不是一個純粹的娛樂設(shè)備，它還可作為工作的有益工具。終端用戶需要知道他們可播放視頻的時間長短、可上網(wǎng)的時間長短以及可通過Skype/MSN和客戶聊天的時間長短。這樣就可以分配時間并保存實現(xiàn)必要功能所需的電池能量。因此，在許多應(yīng)用中，能夠精確預(yù)測電池運行時間變得至關(guān)重要。

另一個挑戰(zhàn)在于保持同等(甚至更長)電池工作時間，而不會顯著增加電池尺寸。安森美半導(dǎo)體數(shù)字及消費產(chǎn)品部系統(tǒng)及應(yīng)用經(jīng)理Jacques Lavernhe強(qiáng)調(diào)，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、藍(lán)牙等多種無線協(xié)議，除了集成電源管理集成電路(PMIC)和電源空間間隔尺度等電源管理技術(shù)，還應(yīng)該特別注意節(jié)省通信設(shè)備物理層(PHY)輸出的能量。在工作階段，無線物理層一直在睡眠與工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換?！霸谒郀顟B(tài)，RF功能關(guān)閉，但數(shù)字內(nèi)核仍在工作?？衫脛討B(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術(shù)來節(jié)省大量電能?！?/P>

同樣是考慮到在一個外形纖巧的設(shè)計中能實現(xiàn)以上所有功能以及較長的電池壽命，美信集成產(chǎn)品公司(Maxim)Infopower業(yè)務(wù)總監(jiān)Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC設(shè)備中，需要多達(dá)30至40個電壓調(diào)節(jié)器對處理器和所有外設(shè)供電。需要具有高效調(diào)節(jié)器和最少外部元件的高集成度PMIC來盡可能地延長電池壽命，并減小MID/UPMC的尺寸。

由于UMPC產(chǎn)品中普遍需要多個不同的電壓軌(通常由單節(jié)鋰離子電池來提供)，其中包括多個微處理器電壓軌以及眾多的特殊功能電路電壓軌。因此，人們迫切要求電池能提供所需的功率。不過，電池的外形尺寸相對較小，而且功率密度也只實現(xiàn)了中等程度的增加。在這種情況下，電池運行時間和良好的熱管理都成為了重要的賣點，對于非常緊湊且具有高效率的多輸出同步轉(zhuǎn)換器的需求便應(yīng)運而生。

轉(zhuǎn)換效率上的提升使得同步降壓、升壓或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，在電池運行時間上獲得了實質(zhì)性的改善。此外，這些轉(zhuǎn)換器還提供了約95%的效率，并免除了增加任何散熱裝置的需要。凌力爾特公司(Linear)針對便攜式電源管理應(yīng)用提供的產(chǎn)品擁有許多獨特優(yōu)勢，包括：高開關(guān)頻率(高達(dá)8MHz)、高效轉(zhuǎn)換(以最大限度地減少熱問題)、輕負(fù)載時的高效率、待機(jī)模式中的非常低靜態(tài)電流(低至9μA)和高集成度(內(nèi)置了集成MOSFET和肖特基二極管)。該公司近期推出的多輸出同步降壓和降壓-升壓型穩(wěn)壓器系列即可提供這種超緊湊型的高效率解決方案(如LTC3544、LTC3545等)。

在低成本、外型輕薄和具有移動上網(wǎng)功能的前提下，UMPC/MID的電源設(shè)計還必須擺脫傳統(tǒng)個人電腦外部零件復(fù)雜、具有較高的輸出噪聲和待機(jī)功耗、較高BOM成本等限制。為此，阿瑟萊特科技(AXElite Technology)針對UMPC/MID推出了兼具極少外圍組件和超低壓差的1A～5A ULDO線性穩(wěn)壓器，并且為達(dá)到產(chǎn)品輕巧和對省電的要求，根據(jù)Intel ATOM或VIA NANO平臺上配置的UMPC/MID電源所需提供的各種低電壓轉(zhuǎn)換要求來提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)方案。例如，1.5V轉(zhuǎn)1.2V穩(wěn)定供給802.11/藍(lán)牙無線模塊所需的1A～5A電源管理方案，可將外部組件減到最少并且紋波噪聲比傳統(tǒng)開關(guān)式穩(wěn)壓器更低。

面向處理器功耗優(yōu)化的電源管理

UMPC/MID設(shè)備中常用的微處理器具有多個低電壓軌，在接通和停機(jī)期間必須對這些電壓軌進(jìn)行正確的上電操作。這些低電壓軌通常包括CPU內(nèi)核電壓、I/O和一些存儲器。此外，CPU內(nèi)核電壓還會視所需處理電平的不同而改變，因而要求電源對其電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到優(yōu)化功耗的目的。

凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降壓型穩(wěn)壓器，能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續(xù)輸出。每個通道均可通過板上I2C接口(兩個通道通過I2C，另兩個通道則通過RUN引腳)進(jìn)行獨立控制(包括輸出電壓)，從而使其非常適合于那些要求對輸出電壓實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整的應(yīng)用(如微處理器)。

LTC3562采用一種恒定頻率和電流模式架構(gòu)，工作輸入電壓范圍為2.85V至5.5V，因而使其成為單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池或多節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫電池應(yīng)用的理想選擇。LTC3562有兩個通道(600mA和400mA)，可通過將反饋電壓設(shè)置在425mV至800mV之間(利用I2C接口)來調(diào)節(jié)輸出電壓。另兩個通道則提供了固定輸出電壓，可利用I2C接口將輸出電壓設(shè)置在600mV至3.775V之間(以25mV為梯級)。這種輸出電壓獨立控制水平使得該器件非常適合于管理便攜應(yīng)用中所常見的多個電源軌。

德州儀器(TI)的張洪為對此亦有認(rèn)同，“為盡可能地減少能耗，可采用多個電壓軌。我們使用該技術(shù)將電池的工作時間幾乎延長了一倍。今后人們還將不斷降低電壓，但就電壓降低而言，系統(tǒng)的不同部件具有不同的問題和步驟，因此將會出現(xiàn)更多的電壓軌?！彼J(rèn)為，一種較簡單的解決方案就是采用低壓輸入 LDO。利用這種技術(shù)的支持，就可以從鄰近的電壓軌得到多個電壓軌并保持最高效率。例如，可以從1.8V的電壓軌獲得1.6V PLL電壓，并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的許多PMU均采用低輸入LDO，如TPS65051。

雖然處理器要執(zhí)行從音視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽到游戲等大量任務(wù)，但它仍然需要在一段較長時間內(nèi)保持待機(jī)狀態(tài)。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，處理器的功耗可能在幾微安到數(shù)安培之間變化，給處理器供電的電壓調(diào)節(jié)器需要在所有負(fù)載條件下都提供高效率。此外，電壓調(diào)節(jié)器還應(yīng)提供動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、極高的電壓精度以及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，以滿足處理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load專利技術(shù)的MIC23031調(diào)節(jié)器可以在各種負(fù)載條件下提供很高的效率。