如何為便攜式系統(tǒng)挑選最理想的電源管理解決方案

    大部分便攜式電子產(chǎn)品都采用鋰電池為系統(tǒng)提供供電。以下是電源管理在整個(gè)系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用：

電池管理：充電、保護(hù)、剩余電量測量。
功率轉(zhuǎn)換：利用電池的供電為負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷杭半娏鳌?
負(fù)載管理：提高用電效率，充分發(fā)揮能源效益。

鋰電池充電管理系統(tǒng)----LP3947： 

美國國家半導(dǎo)體的LP3974充電芯片可以輕易為便攜式電子產(chǎn)品提供電池充電功能。

LP3947芯片可以支持所有的鋰電池充電模式如: 涓流充電, 恒流充電, 恒壓充電。這款芯片與傳統(tǒng)的充電集成電路不同，只需采用極少的外接元件為其提供支持，而且無需加設(shè)功率晶體管及高精度電流傳感器。 

LP3947芯片支持通用串行總線(USB)端口或交流電適配器為電池充電。充電電流可以通過I2C接口加以設(shè)定，確保不同類型的鋰電池都可獲得足夠的充電。

這款充電芯片還有另一特別的功能。如果系統(tǒng)里沒有電池，這款芯片可以作為低壓降穩(wěn)壓器，執(zhí)行穩(wěn)壓功能，穩(wěn)定系統(tǒng)供電的電壓，因此便攜式電子產(chǎn)品可以充分利用這款芯片的穩(wěn)壓功能，直接從通用串行總線或交流電適配器獲取供電，無需使用電池的供電，有助延長電池壽命。

功率轉(zhuǎn)換：

便攜式電子產(chǎn)品的負(fù)載一般可分為兩大類：一種是屬于數(shù)字子系統(tǒng)(核心及輸入/輸出)的負(fù)載，而另一種則是信號路徑(模擬或射頻信號)的負(fù)載。由于這兩類負(fù)載需要的電壓/電流都各不相同，因此系統(tǒng)的電源供應(yīng)需要進(jìn)行不同的功率轉(zhuǎn)換，以便為不同負(fù)載饋送不同的電壓/電流。

可以提供“功率轉(zhuǎn)換”功能的芯片基本上采用三種不同的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此功率轉(zhuǎn)換器基本上也分為三大類，即低壓降穩(wěn)壓器、電感式直流/直流轉(zhuǎn)換器及開關(guān)電容器直流/直流轉(zhuǎn)換器。圖1所介紹的便是這三種不同的電路布局。


數(shù)字子系統(tǒng)及信號路徑作為負(fù)載對電源有各自不同的要求，我們必須分別予以考慮，并作出適當(dāng)?shù)娜∩?，才可確保系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮其性能。圖表 1 列出有關(guān)的重要參數(shù)。

專為數(shù)字核心及輸入/輸出而設(shè)的功率轉(zhuǎn)換器

處理器核心及數(shù)字輸入/輸出等數(shù)字子系統(tǒng)耗用較多的供電，而且新一代的數(shù)字子系統(tǒng)需要的供電電壓(Vcc)遠(yuǎn)比輸入的電源供應(yīng)低，有時(shí)甚至低至1V。此外，處理器必須長時(shí)間開啟，即使處于待機(jī)狀態(tài)也不能關(guān)閉。先進(jìn)的電感式同步降壓穩(wěn)壓器可以滿足數(shù)字負(fù)載的這些特性。

電感式直流/直流轉(zhuǎn)換器采用半橋接式輸出級，后接低通濾波器。這種轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是無論輸出/輸入電壓比(VOUT/VIN)有多大，都能以極高的效率輸出穩(wěn)定電壓。

但這種技術(shù)既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)，而且大部分問題都源自電感器，因此選擇外接元件時(shí)便需要小心考慮相關(guān)的因素。例如，電感值(即電感器體積)越小，紋波電流便越大，雖然要確保系統(tǒng)體積小巧，便必須采用極小巧的元件，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須明白魚與熊掌不能同時(shí)兼得。

提高開關(guān)頻率的好處是系統(tǒng)可以采用較小型的電感器，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗也就越大，轉(zhuǎn)換效率也會相應(yīng)下降，因?yàn)殚_啟及關(guān)閉MOSFET時(shí)會出現(xiàn)時(shí)間上的延遲，而且以更高速度為門極電容器充電會耗用更多電能。MOSFET的門極及源極之間存在電容器效應(yīng)，當(dāng)電容器進(jìn)行“充電”時(shí)，MOSFET無法達(dá)到飽和的狀態(tài)。[漏極源極電阻 (RDS-ON) 不是處于最低點(diǎn)。] 生產(chǎn)半橋接式高集成度直流/直流轉(zhuǎn)換器的廠商有責(zé)任將其中的影響減至極低。

對于需要預(yù)先確定Di/Dt噪音頻率的系統(tǒng)來說，設(shè)有PWM模式的固定頻率直流/直流轉(zhuǎn)換器是理想的電源管理解決方案。但PWM的缺點(diǎn)是需要比較高的操作電流的支持。若負(fù)載只有“全速”或關(guān)閉兩種操作模式，這個(gè)缺點(diǎn)即可忽略不計(jì)。但對于即使處于待機(jī)狀態(tài)仍然需要獲得供電電流的數(shù)字處理器或易失性存儲器來說，我們便需要采用可以隨時(shí)轉(zhuǎn)換到脈沖跳躍或PFM 模式的芯片。

以PFM模式來說，只有在輸出電壓跌穿比較器的閾值時(shí)，半橋接芯片的頂部MOSFET才會啟動。與此同時(shí)，P通道MOSFET隨即啟動，而輸出濾波器也會重新充電。這個(gè)操作PFM模式會持續(xù), 直至檢波器顯示輸出電流升越某一閾值, 再轉(zhuǎn)入PWM模式。PFM模式有兩大優(yōu)點(diǎn)：由于許多內(nèi)部電路已關(guān)閉，因此直流/直流轉(zhuǎn)換器的操作電流會大幅下降；此外，內(nèi)部電路在有需要時(shí)(而非在每一時(shí)段的開始)才啟動或關(guān)閉，有助將輸出級的開關(guān)損耗減至極低。

一如所有電源管理系統(tǒng)，上述設(shè)計(jì)也有本身的缺點(diǎn)。以PFM模式來說，由于頻率并非固定，因此Di/Dt 噪音便變得不可預(yù)測。但經(jīng)過優(yōu)化的PFM模式可以以額定的固定頻率或接近這一頻率進(jìn)行開關(guān)操作。其輸出的紋波很小，全部屬于輸出電容器充電/放電產(chǎn)生，因此EMI可說微不足道。

LM3671是目前的主流芯片。這款芯片的設(shè)計(jì)中包含了對上文提及的所有問題的考慮。它采用SOT23封裝，開關(guān)頻率為2 MHz，因此可以采用2.2 mH的小型電感器。此外，由于LM3671芯片采用先進(jìn)的同步整流技術(shù)，因此轉(zhuǎn)換效率更高，而且不大需要采用外接肖特基二極管。由于這款芯片能夠根據(jù)輸出電流的大小在PWM及PFM兩種操作模式之間自動切換，適合需要長時(shí)間使用待機(jī)模式的電子產(chǎn)品采用。

若效率要求并非這么嚴(yán)格，開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器是另一理想的選擇。這種電路布局無需采用電感器，但效率則高于低壓降穩(wěn)壓器芯片。若與電感式直流/直流轉(zhuǎn)換器比較，采用開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器不但可以縮小印刷電路板的體積，而且還有助降低系統(tǒng)成本。圖2 分別列出電感式直流/直流轉(zhuǎn)換器及開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器的印刷電路板布局及面積。

電感式開關(guān)穩(wěn)壓器的電路布局： 
- 面積約為 7 mm x 5 mm  


開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器的電路布局：
-面積約為 5 mm x 5 mm
-方形設(shè)計(jì)可以充分利用電路板的
 板面空間

LM2770 芯片是新推出的開關(guān)電容器穩(wěn)壓器，可為負(fù)載提供高達(dá)250 mA的驅(qū)動電流，平均效率可達(dá) 70至80%。新一代的開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器內(nèi)置控制電路，可以因應(yīng)輸出/輸入電壓比(VOUT/VIN)的高低，迅速改變電荷泵的增益。由于這款電源管理芯片可以自動改變增益，因此可以在任何指定的情況下發(fā)揮很高的功率轉(zhuǎn)換效率。

對于無需極低供電電壓及高電流的數(shù)字輸入/輸出及外圍設(shè)備來說，低壓降穩(wěn)壓器仍是理想的選擇，因?yàn)檫@種芯片不但成本低廉，而且容易使用。美國國家半導(dǎo)體有部分低壓降穩(wěn)壓器芯片特別適合這類負(fù)載采用。LP3990 芯片便是其中一個(gè)典型的例子。

這款芯片具備全新的低壓降穩(wěn)壓器的所有先進(jìn)功能及特色，例如極低靜態(tài)電流(43mA)、低輸出噪音、低壓降、高電源抑制比(PSRR)、快速啟動時(shí)間、輸入電壓低至只有2.0V、無需加設(shè)外置旁路電容器。 



信號路徑的功率轉(zhuǎn)換

信號路徑芯片的功率轉(zhuǎn)換過程與數(shù)字子系統(tǒng)有頗大的不同。信號路徑芯片面對的是“真實(shí)世界”的模擬信號，因此必須確保信號的完整性?；谶@個(gè)原因，信號路徑的電源管理系統(tǒng)需要優(yōu)先考慮的因素便大不相同。信號路徑的電源管理系統(tǒng)很多時(shí)都采用低壓降穩(wěn)壓器，而且是這類電源管理系統(tǒng)最常用的線路設(shè)計(jì)。

由于這種線性芯片要求的輸出電壓較高，而要求的輸出電流則相對較低，因此功耗對系統(tǒng)的整體效率只有輕微的影響。由于這些芯片的負(fù)載較為穩(wěn)定，因此可以集中改善電源抑制及壓降以提升效率。

電源抑制比(PSRR)是顯示信號干擾程度的指標(biāo)，可以顯示電源管理芯片能否有效抑制伴隨輸入信號而來的干擾。電源抑制比是輸入信號的固定頻率正弦波與輸出信號振幅之間的比率。這兩個(gè)數(shù)值之間的比率也是電源抑制比的定義，由于電源抑制比與噪音會產(chǎn)生同樣性質(zhì)的影響，因此挑選電源管理芯片時(shí)必須兩者一并考慮。


壓降是指低壓降穩(wěn)壓器芯片所必須預(yù)留的降壓空間，以便能夠利用低輸入電平產(chǎn)生輸出電流。壓降實(shí)際上是P通道MOS芯片的漏極源極電阻(RDS-ON)乘以輸出電流。輸出電流若上升，壓降的要求便會更加嚴(yán)格。

美國國家半導(dǎo)體有部分低壓降穩(wěn)壓器具有較高電源抑制比及低壓降等優(yōu)點(diǎn)，適用于驅(qū)動信號路徑上的負(fù)載。LP3995是這類低壓降穩(wěn)壓器的其中一款典型產(chǎn)品，其電源抑制比約為55 dB，以150 mA電流驅(qū)動負(fù)載時(shí)，典型壓降只有60 mA。

目前市場上出現(xiàn)一種專為信號路徑負(fù)載提供穩(wěn)壓供電的嶄新電源管理技術(shù)。這是一種適合射頻功率放大器采用的技術(shù)，其特點(diǎn)是利用一款特殊應(yīng)用直流/直流轉(zhuǎn)換器為功率放大器提供供電電壓(Vcc)。雖然這種技術(shù)的應(yīng)用一直局限在移動電話方面，但寬帶局域網(wǎng)(WLAN)及其它無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也開始采用這種技術(shù)。圖3顯示一組可以取代直流/直流轉(zhuǎn)換器的射頻功率轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)。

新一代的功率放大器即使利用遠(yuǎn)比傳統(tǒng)3V低或高的供電電壓提供供電，其線性特性絲毫也不會受到影響，而且由于功率放大器基本上是固定阻抗的負(fù)載，因此降低供電電壓(Vcc)非常有助于節(jié)省耗電。移動電話若采用這種新技術(shù)，大約可節(jié)省80%以上的功耗，實(shí)際節(jié)省的電量須視乎采用什么類型的射頻發(fā)射系統(tǒng)而定。通過控制信號輸入直流/直流轉(zhuǎn)換器，供電電壓可以因應(yīng)檢波器所示功率的大小按比例變動。由于傳送信號所需的供電較少，供電電壓可以降低，有助節(jié)省寶貴的電力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師采用射頻功率放大器設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，必須知道系統(tǒng)要求的最低供電電壓。若果供電電壓低至1.5V或以下，而功率轉(zhuǎn)換器仍可保持其線性特性，那么新設(shè)計(jì)便適宜采用這種特殊應(yīng)用直流/直流轉(zhuǎn)換器。圖4是美國國家半導(dǎo)體專為射頻功率放大器而設(shè)計(jì)的直流/直流降壓解決方案。

電源管理單元 (PMU) -- 高度集成的電源管理解決方案

除了獨(dú)立式的功率轉(zhuǎn)換芯片之外，美國國家半導(dǎo)體還有各式各樣高度集成的電源管理芯片。最近便推出一款多功能而又可編程的電源管理芯片。這款型號為 LP3970 的電源管理芯片是專為Intel 的XScale 等先進(jìn)處理器而設(shè)計(jì)的。


這款集成電路內(nèi)置11顆低壓降穩(wěn)壓器芯片：其中8顆穩(wěn)壓器芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動數(shù)字負(fù)載，而另外3顆則負(fù)責(zé)驅(qū)動模擬負(fù)載。由于這些低壓降穩(wěn)壓器芯片采用美國國家半導(dǎo)體先進(jìn)的技術(shù)制造，因此具有高電源抑制比(PSRR)、低壓降輸出電壓及低靜態(tài)電流等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置的11顆低壓降穩(wěn)壓器之中，有4顆為固定輸出電壓，而另外7顆穩(wěn)壓器的輸出電壓則可通過I2C接口以軟件加以設(shè)定。

LP3970芯片內(nèi)置兩個(gè)高效率的600mA電感式直流/直流降壓穩(wěn)壓器，內(nèi)設(shè)MOSFET同步整流器。當(dāng)開關(guān)以2 MHz的頻率切換時(shí)，這些穩(wěn)壓器及整流器只需三顆小型的外接元件為其提供支持。LP3970電源管理芯片可以在低噪音PWM 與低電流PFM 兩種模式之間自動切換，有助減低功耗。兩種模式的輸出電壓都可通過 I2C 接口以軟件加以設(shè)定。

由于LP3970芯片的輸出電壓可以利用軟件設(shè)定，因此這款電源管理芯片不但可以支持應(yīng)用處理器的動態(tài)電壓管理(DVM)功能，而且還可提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以隨時(shí)將系統(tǒng)升級。

可以支持發(fā)光功能的發(fā)光二極管驅(qū)動器：

以便攜式電子產(chǎn)品來說，燈光是重要的人機(jī)接口。例如，圖 5 所示的新款移動電話可以啟動多種不同的燈光。

新一代的移動電話必須裝設(shè)發(fā)光二極管才可為液晶顯示屏及小鍵盤提供背光。驅(qū)動發(fā)光二極管的驅(qū)動器采用以下三種不同的設(shè)計(jì)布局：

驅(qū)動并行發(fā)光二極管的電壓模式；
驅(qū)動并行發(fā)光二極管的電流模式；
驅(qū)動堆疊發(fā)光二極管的穩(wěn)壓模式；

驅(qū)動并行發(fā)光二極管的電壓模式非常容易使用，而且成本也較低廉。這種模式采用電荷泵技術(shù). 但這種技術(shù)有它的缺點(diǎn)，例如需要采用電阻調(diào)節(jié)電流，而且不同發(fā)光二極管之間的電流及亮度會有一定的高低參差。

如欲進(jìn)一步查詢有關(guān)美國國家半導(dǎo)體Power產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/ 網(wǎng)頁。