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(cè)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(guó)國(guó)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(wú)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(guò)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(méi)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(wú)需使用電池的供電，有助延長(zhǎng)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(hào)路徑(模擬或射頻信號(hào))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(kāi)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(hào)路徑作為負(fù)載對(duì)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(zhǎng)時(shí)間開(kāi)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(jí)，后接低通濾波器。這種轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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(wèn)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(yú)與熊掌不能同時(shí)兼得。

提高開(kāi)關(guān)頻率的好處是系統(tǒng)可以采用較小型的電感器，但開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也就越大，轉(zhuǎn)換效率也會(huì)相應(yīng)下降，因?yàn)殚_(kāi)啟及關(guān)閉MOSFET時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的延遲，而且以更高速度為門(mén)極電容器充電會(huì)耗用更多電能。MOSFET的門(mén)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(wú)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(duì)于需要預(yù)先確定Di/Dt噪音頻率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)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(chǔ)器來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(huì)啟動(dòng)。與此同時(shí)，P通道MOSFET隨即啟動(dòng)，而輸出濾波器也會(huì)重新充電。這個(gè)操作PFM模式會(huì)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(huì)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(kāi)始)才啟動(dòng)或關(guān)閉，有助將輸出級(jí)的開(kāi)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(lái)說(shuō)，由于頻率并非固定，因此Di/Dt 噪音便變得不可預(yù)測(cè)。但經(jīng)過(guò)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(kāi)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(shuō)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(duì)上文提及的所有問(wèn)題的考慮。它采用SOT23封裝，開(kāi)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(dòng)切換，適合需要長(zhǎng)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電路布局： 
- 面積約為 7 mm x 5 mm  


開(kāi)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(kāi)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(dòng)電流，平均效率可達(dá) 70至80%。新一代的開(kāi)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(dòng)改變?cè)鲆?，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(duì)于無(wú)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(lái)說(shuō)，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(guó)國(guó)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(dòng)時(shí)間、輸入電壓低至只有2.0V、無(wú)需加設(shè)外置旁路電容器。 



信號(hào)路徑的功率轉(zhuǎn)換

信號(hào)路徑芯片的功率轉(zhuǎn)換過(guò)程與數(shù)字子系統(tǒng)有頗大的不同。信號(hào)路徑芯片面對(duì)的是“真實(shí)世界”的模擬信號(hào)，因此必須確保信號(hào)的完整性?；谶@個(gè)原因，信號(hào)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(hào)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(duì)較低，因此功耗對(duì)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(hào)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(hào)而來(lái)的干擾。電源抑制比是輸入信號(hào)的固定頻率正弦波與輸出信號(hào)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(huì)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(huì)更加嚴(yán)格。

美國(guó)國(guó)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(dòng)信號(hào)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(dòng)負(fù)載時(shí)，典型壓降只有60 mA。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)一種專為信號(hào)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(dòng)電話方面，但寬帶局域網(wǎng)(WLAN)及其它無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也開(kāi)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(huì)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(dòng)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(guò)控制信號(hào)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(dòng)。由于傳送信號(hào)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(guó)國(guó)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(guó)國(guó)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(hào)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(dòng)數(shù)字負(fù)載，而另外3顆則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)模擬負(fù)載。由于這些低壓降穩(wěn)壓器芯片采用美國(guó)國(guó)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(guò)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(kāi)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(dòng)切換，有助減低功耗。兩種模式的輸出電壓都可通過(guò) 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(dòng)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(jí)。

可以支持發(fā)光功能的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器：

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

新一代的移動(dòng)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(pán)提供背光。驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器采用以下三種不同的設(shè)計(jì)布局：

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

驅(qū)動(dòng)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(huì)有一定的高低參差。

如欲進(jìn)一步查詢有關(guān)美國(guó)國(guó)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(yè)。