整合與分布式智能成為電源系統(tǒng)設(shè)計的主要趨勢

By Dave Freeman
Application Engineering Manager, Power Management Products
Texas Instruments

最近幾年的電源供應(yīng)設(shè)計和電源管理發(fā)展趨勢已經(jīng)反映出整個電子產(chǎn)業(yè)都能見到的許多動態(tài)，例如零件整合度日益增加、利用數(shù)字組件來加強(qiáng)或取代傳統(tǒng)模擬電路的做法更加普遍、以及在前兩個趨勢影響下，越來越多智能型功能開始分布至整個電源系統(tǒng)；毫無疑問的，這些力量將在未來的幾年內(nèi)繼續(xù)影響電源零件。此外，某些特殊應(yīng)用的電源系統(tǒng)設(shè)計技巧也已出現(xiàn)，它們也將塑造電源零件的本質(zhì)和功能。

在這些特殊應(yīng)用的眾多發(fā)展趨勢當(dāng)中，最主要的趨勢是把行動電話設(shè)計技巧和方法應(yīng)用到其它行動通訊、運算和消費性電子裝置的電源系統(tǒng)，例如PDA、數(shù)字相機(jī)、混合式智能型手機(jī)和其它產(chǎn)品。

電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的整合

無論就整個電子產(chǎn)業(yè)而言，或是針對行動應(yīng)用來說，零件整合長期以來就是它們的重要支柱之一；最值得注意的是，行動電話的電源供應(yīng)設(shè)計也是遵循這個趨勢，朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

行動電話的電源系統(tǒng)曾經(jīng)是由許多離散模擬零件組成，但這樣的日子已一去不回。最初的功能整合在于盡量縮小這些離散式電源零件的體積，隨后則是把它們整合至一顆或少數(shù)幾顆電源管理組件?，F(xiàn)在，這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能，它們的應(yīng)用范圍也逐漸跨出行動電話產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入各種不同類型的掌上型裝置。

芯片整合的理由對于整個電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因為制造這些產(chǎn)品所需的組件數(shù)目和電路板面積都會減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會更簡單、更高的系統(tǒng)可靠性還能縮短測試時間。此外，更高階的芯片整合度也能提高發(fā)展流程效率，進(jìn)而加快制造商的新產(chǎn)品上市時間；由于他們能更快在市場上推出新產(chǎn)品，芯片整合度確保產(chǎn)品上市時擁有極大競爭力。

TI提供的TPS65010電源組件就是高整合度、高功能電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的最新范例。這顆組件專門支持各種行動應(yīng)用的電源管理需求，包括PDA、數(shù)字相機(jī)、多媒體智能型手機(jī)和其它產(chǎn)品；無論是任何系統(tǒng)，只要它們使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池，并且包含多組電源線路和多顆先進(jìn)應(yīng)用處理器，TPS65010就能做為它們的電源系統(tǒng)。

TPS65010整合了電源系統(tǒng)的所有重要建構(gòu)方塊，包括用于交換式電源轉(zhuǎn)換和電池充電的整合式FET晶體管；TPS65010還整合復(fù)雜先進(jìn)的電池和電源管理智能，滿足今日高效能、功耗處理器所需，例如TI提供的OMAP處理器。TPS65010體積很小，最多只需要離散式解決方案的1/3電路板面積，但卻內(nèi)建兩個同步直流降壓轉(zhuǎn)換器和整合式FET晶體管、提供系統(tǒng)電源的1 A轉(zhuǎn)換器以及提供處理器核心電源的400 mA轉(zhuǎn)換器；在最大工作模式下，TPS65010可以達(dá)到97%的轉(zhuǎn)換效率。

TPS65010還整合其它多種功能，它們是行動電話應(yīng)用以外的其它電源管理組件比較少看到的，例如這顆零件包含TI最新的線性電池充電器技術(shù)和1 A充電FET晶體管，使得這顆零件可以使用來自USB連接埠或者外接式電源供應(yīng)器的電源。TPS65010內(nèi)建智能型功能，可以自動選擇USB或電源供應(yīng)器做為充電電源；這顆組件所整合的充電器技術(shù)還提供高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示、充電終止和安全定時器。

數(shù)字零件改變電源系統(tǒng)設(shè)計

TPS65010利用它所擁有的高階整合度以及更強(qiáng)大功能，證明電源系統(tǒng)設(shè)計為什么正在轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)。當(dāng)數(shù)字電路加入電源系統(tǒng)后，更多的智能即可內(nèi)建至電源系統(tǒng)，進(jìn)而減少系統(tǒng)主機(jī)處理器的工作負(fù)擔(dān)，使它能夠執(zhí)行對于系統(tǒng)成敗更重要的工作。透過這樣的方式，數(shù)字加強(qiáng)型電源供應(yīng)就成為最佳化的系統(tǒng)外圍，它可以連接至操作系統(tǒng)，以便提供監(jiān)督和控制功能。

此外，數(shù)字組件的延展性也優(yōu)于模擬組件，因此隨著數(shù)字制程越來越精密，數(shù)字電源芯片也會變得更小，使它們所需的電路板面積隨之減少。若只利用模擬技術(shù)來實作電源供應(yīng)的組態(tài)設(shè)定和監(jiān)督，電路通常會變得很復(fù)雜，閑置電源的功耗也更大。體積較小的數(shù)字電源組件則能提供多種工作模式，減少電源子系統(tǒng)的功耗，這表示電源管理系統(tǒng)只會消耗更少的系統(tǒng)電源，使得更多電力能夠提供給系統(tǒng)使用。

某些電源系統(tǒng)已開始從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，受到這個趨勢影響，電源系統(tǒng)設(shè)計人員必須掌握新的設(shè)計技巧；最后，這個轉(zhuǎn)變過程會迫使電源系統(tǒng)設(shè)計人員以數(shù)字方式思考，并對操作系統(tǒng)有更深入的了解。

朝向數(shù)字電源的趨勢已產(chǎn)生多種效果，行動通訊系統(tǒng)處理器與電源子系統(tǒng)的互動方式就是個例子；過去，當(dāng)電源子系統(tǒng)還不是那么先進(jìn)，并且主要包含模擬零件時，基頻處理器必須透過不同接腳，才能把基本的開機(jī)／關(guān)機(jī)命令送給電源子系統(tǒng)。隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源組件，并使它們變得更聰明，基頻處理器和數(shù)字電源管理組件就能以更復(fù)雜的信息和命令相互溝通。要讓這樣的芯片對芯片互動達(dá)到可接受的效能水準(zhǔn)，處理器和數(shù)字電源管理組件之間就需要更先進(jìn)的界面，例如I²C™就是適合此用途、而且功能更強(qiáng)健可靠的界面之一。

在主機(jī)處理器和電源系統(tǒng)之間使用強(qiáng)健可靠界面的影響之一，是電源系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在必須學(xué)習(xí)如何利用完整復(fù)雜的界面，而不僅是簡單的開機(jī)和關(guān)機(jī)線路。某些電源系統(tǒng)設(shè)計人員正在第一次學(xué)習(xí)如何管理界面，使得電源管理組件能和主機(jī)處理器所執(zhí)行的操作系統(tǒng)溝通；在許多情形下，這牽涉到學(xué)習(xí)新的程序設(shè)計工具和語言 - 當(dāng)電源系統(tǒng)的絕大多數(shù)零件是模擬組件時，設(shè)計人員并不需要使用這些工具或語言。

把智能分布至整個電源系統(tǒng)

隨著越來越多智能分布至整個電源系統(tǒng)，也使得電源系統(tǒng)更需要先進(jìn)的功能界面 - 特別是在處理器和電源管理組件之間，對于這類界面的需求更為明顯。這個功能界面必須包含所有子系統(tǒng)的電源管理功能，例如電池充電和監(jiān)測。除了發(fā)展實體界面之外，系統(tǒng)還需要一套協(xié)議來支持各種子系統(tǒng)，而且這個協(xié)議不能帶來不必要的復(fù)雜性。

在今日的筆記型計算機(jī)中，電池管理單元會使用類似于I²C™界面的SMBus界面；這個界面的應(yīng)用正在擴(kuò)大，把更多電源子系統(tǒng)納入支持范圍。為電池管理子系統(tǒng)增加功能界面，充電子系統(tǒng)和電源管理功能之間的合作將更有效率。系統(tǒng)主機(jī)處理器過去必須盡可能監(jiān)測電池電力，同時管理整個充電程序，現(xiàn)在隨著更多智能分布于整個電源系統(tǒng)，電源管理組件可與強(qiáng)健可靠的電池電力量測組件以及各種電池充電零件密切合作。

TI新推出的bqJUNIOR™系列 (bq265xx) 就是很好的例子，它說明隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源系統(tǒng)，智能也將開始分布至整個電源系統(tǒng)；bqJUNIOR證明智能已開始出現(xiàn)在許多行動應(yīng)用的電池組和充電子系統(tǒng)，例如使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池的數(shù)字相機(jī)、PDA和行動電話。

電池監(jiān)測功能最初是透過少數(shù)幾顆比較器來提供，它們連接至顯示屏幕的指示計，顯示電池剩余電力。隨后廠商開始把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器嵌入系統(tǒng)的基頻處理器，使它能監(jiān)測電池的電力狀態(tài)，最新發(fā)展則是在組件中加入智能型電池管理子系統(tǒng)，bqJUNIOR就是采取這樣的做法。

bqJUNIOR不同于其它簡單的電池監(jiān)測零件，它是完全整合式電池電力量測組件，內(nèi)建處理器可以計算電池剩余電力以及這些電力所能提供的系統(tǒng)運行時間。bqJUNIOR利用電壓偏移值很小的整合式電荷計數(shù)轉(zhuǎn)換器 (coulomb counting converter) 來量測電池的充電及放電電流，精準(zhǔn)度可達(dá)到百分之一，它還內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可用來量測電壓和溫度值。bqJUNIOR的內(nèi)建處理器可以根據(jù)這些量測結(jié)果，利用特定算法來準(zhǔn)確計算電池的剩余電力；在此之前，只有在筆記型計算機(jī)的系統(tǒng)層次，才會提供這種程度的電池管理功能。

bqJUNIOR電池電力量測組件的功耗極低，它的工作電流少于100 mA，還提供三種待命功耗模式；bqJUNIOR可以進(jìn)入這些待命功耗模式，以便在系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)時，為系統(tǒng)節(jié)省更多的電池電力。bqJUNIOR其它規(guī)格還包括：偏移電壓很小的轉(zhuǎn)換器，可以準(zhǔn)確監(jiān)測充電及放電電流；內(nèi)建時脈功能，可減少系統(tǒng)的芯片數(shù)目；整合式EEPROM內(nèi)存，用來設(shè)定與應(yīng)用相關(guān)的特定功能；以及可程序I/O連接端口。

由于bqJUNIOR可以搜集它所需要的全部信息，又能執(zhí)行所有必要計算，因此工程師不必為了提供這些功能，而針對系統(tǒng)主機(jī)處理器發(fā)展相關(guān)算法，這能減少產(chǎn)品的研發(fā)時間和成本。主機(jī)處理器，例如TI的OMAP1710應(yīng)用處理器、OMAP750整合式通訊及應(yīng)用處理器或是OMAP5910嵌入式應(yīng)處理器，都能使用單線 (single-wire) 通訊端口和HDQ協(xié)議與bqJUNIOR互動，并且取得它們所需的電源信息。

bqJUNIOR之類的組件可將智能分布至整個電源系統(tǒng)，這能帶來更有效以及更高效率的應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)而增加使用者的滿意度。最新的電池充電技術(shù)需要更強(qiáng)大的智能，以便迅速完成電池充電，協(xié)助延長電池的供電時間，這也是分布式智能帶來的好處之一。

使用單顆鋰離子電池的行動系統(tǒng)制造商已了解，當(dāng)電池達(dá)到滿電位容量 (full capacity) 之后，繼續(xù)充電反而會減少電池在滿電位所能儲存的電力，這會對使用者滿意度造成不良影響。舉例來說，使用者為確保行動電話的電力飽滿，當(dāng)他們坐在座位上時，常會把手機(jī)放在充電基座上面；不幸的是，這種做法不但無法增加行動電話的待機(jī)時間，使用者還可能發(fā)現(xiàn)它們的待機(jī)時間越來越短，因為他已在不知不覺中減少了電池容量，原因就是他一直讓電池處于非常高的充電狀態(tài)。對于內(nèi)置電池的應(yīng)用，這種現(xiàn)象特別容易造成困擾，因為它們的電池很不容易更換。

藉由將智能分布至電池充電程序，這個問題即可避免。智能型電源管理系統(tǒng)不會將電池充電至它的最大容量 (maximum capacity)，而是監(jiān)測電池的電力，等到電力使用量達(dá)到某個程度時，才開始對電池充電。充電程序結(jié)束后，智能型電源管理系統(tǒng)會等待電力再度下降，當(dāng)電力減少至另一個默認(rèn)值時，充電程序就會重新恢復(fù)。這種方式使得充電水準(zhǔn)達(dá)到滿電位容量附近的狹小范圍內(nèi)，避免電池因為長時間處于最大充電狀態(tài)而受到損壞。

不但如此，包含分布式智能的未來電源子系統(tǒng)還會提供更強(qiáng)大的適應(yīng)性和彈性，進(jìn)而減少整個系統(tǒng)的功耗；舉例來說，未來的智能型交換式電源子系統(tǒng)將能夠預(yù)測它們的操作情形，只要根據(jù)特定的電源使用模式，這些電源系統(tǒng)就知道如何迅速做出反應(yīng)，甚至在系統(tǒng)需求出現(xiàn)之前，就先調(diào)整自己的操作模式以配合這些需求。這種技術(shù)能夠延長系統(tǒng)的待命和操作時間，并對使用者的要求和命令更快做出反應(yīng)，進(jìn)而降低功耗，提升使用者的滿意度。

擴(kuò)大行動電話電源技術(shù)的應(yīng)用范圍

電源系統(tǒng)設(shè)計還有另一項主要趨勢，就是把行動電話的設(shè)計技巧及作業(yè)方法帶給其它的可攜式應(yīng)用。許多系統(tǒng)會和手機(jī)匯聚在一起，PDA就是個例子，這類系統(tǒng)很適合采用行動通訊手機(jī)率先發(fā)展的電源方法；除此之外，還有其它看起來并不相關(guān)的應(yīng)用，例如數(shù)字相機(jī)，也開始采用同樣的創(chuàng)新電源功能。

我們也可以把行動電話用于背光照明及彩色屏幕的多種電源技術(shù)轉(zhuǎn)移至PDA和數(shù)字相機(jī)應(yīng)用，這是擴(kuò)大行動電話電源技術(shù)應(yīng)用范圍的一個明顯例子。TI新推出兩顆高頻率白光LED驅(qū)動組件TPS61042和TPS61045，它們是可調(diào)整式液晶顯示器的升壓轉(zhuǎn)換組件，很適合用于行動電話、PDA或數(shù)字相機(jī)，為它們的小型全彩屏幕提供更良好的高階繪圖和影像畫質(zhì)。

這兩顆組件結(jié)合在一起，就能支持任何種類的可攜式應(yīng)用，協(xié)助它們控制彩色液晶屏幕亮度，同時加強(qiáng)影像、繪圖和文字的顯示畫質(zhì)。TPS61042以及TPS61045都能提供85%轉(zhuǎn)換效率，它們還擁有1 MHz的很高開關(guān)頻率，這能大幅減少所需的外部零件數(shù)目。

TPS61042是一顆高頻率白光LED驅(qū)動器，提供1.8 V至6 V的輸入電源范圍，輸出電壓最高可達(dá)28 V，并能以固定電流推動八顆LED。TPS61042可透過外接感測電阻來設(shè)定LED電流，它還包含LED亮度控制接腳，只要施加100 Hz至50 kHz范圍的脈沖寬度調(diào)變訊號，即能調(diào)整LED亮度。這只控制接腳還可以將TPS61042禁能，切斷它與LED的聯(lián)機(jī)，避免關(guān)機(jī)過程發(fā)生電流泄漏現(xiàn)象。另外，TPS61042，也可利用模擬訊號控制亮度。

TPS61045是專門用來提供液晶顯示器偏壓的可調(diào)整式升壓轉(zhuǎn)換組件，不需外接任何調(diào)整零件，就能精確控制小型和中型液晶顯示器的對比值。這顆轉(zhuǎn)換器提供最高28 V的可設(shè)定式輸出電壓和真正的關(guān)機(jī)功能，可將負(fù)載與輸入電源完全切斷，為顯示器提供開機(jī)和關(guān)機(jī)順序的控制能力。

行動電話還帶動另一個發(fā)展趨勢：它可以使用多種不同電源對電池進(jìn)行充電，這項功能目前也為其它應(yīng)用所采用。舉例來說，新型電源管理零件可以選擇USB連接端口或是外接式電源供應(yīng)器做為行動電話、數(shù)字相機(jī)或PDA的電池充電來源，例如TI電池充電組件系列bqTINYTM (bq2401x, bq2402x) 的最新產(chǎn)品就能隨著系統(tǒng)電源的不同，自動選擇適當(dāng)電源做為電池充電來源；在空間有限的可攜式應(yīng)用中，這顆新組件為使用者提供更多的系統(tǒng)充電選項，確保使用者能對產(chǎn)品更加滿意。

bqTINY-II是TI最新推出的電池充電組件，它為電源系統(tǒng)設(shè)計人員帶來一套整合式解決方案，提供自動電源選擇、功率FET和電流傳感器、高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示和充電中止功能 - 全部整合至單顆組件。

當(dāng)bqTINY-II透過USB連接至電源時，它可以在兩種預(yù)設(shè)的充電速率中選擇其一，分別是100 mA和500 mA。若將外接式電源供應(yīng)器連接至bqTINY-II，這顆組件就會透過它所內(nèi)建的功率FET晶體管，以1 A速率對電池進(jìn)行充電。bqTINY-II還包含整合式電流傳感器，它的電流值還能設(shè)定，使工程師享有更大設(shè)計彈性，不再需要體積龐大的外接式感測電阻。

bqTINY-II采用整合式逆向電流阻隔 (reverse-blocking) 保護(hù)機(jī)制，可以防止電池未接直流供應(yīng)電源時發(fā)生漏電現(xiàn)象，其它整合功能還包括穩(wěn)流和穩(wěn)壓、預(yù)先充電和快速充電階段的安全定時器、可以提供給LED或是微控制器使用的充電狀態(tài)輸出信號以及溫度感測功能。bqTINY-II的智能在于它的操作算法能夠縮短充電時間、使電池的充電量達(dá)到最大值以及保護(hù)電池不受高溫或電壓傷害。當(dāng)電池達(dá)到滿電位容量，bqTINY-II會將充電程序暫停，等到電池電壓回落到某個臨界值，這顆組件才重新開始充電程序，使電池的電力水準(zhǔn)回到事先定義的滿電位容量。

bqTINY-II支持三階段的充電程序，包括預(yù)先充電調(diào)節(jié)階段、定電流充電階段以及許多設(shè)備制造商都要求的高精準(zhǔn)度固定電壓充電階段。bqTINY-II的功耗極低；事實上，當(dāng)系統(tǒng)未連接至這兩種電源時，bqTINY-II就會進(jìn)入低功耗睡眠模式，它此時只會從電池汲取非常少的電力。

分布式數(shù)字智能

數(shù)字芯片技術(shù)的許多優(yōu)點正迅速獲得行動裝置的電源系統(tǒng)所采用，數(shù)字技術(shù)也開始取代電源系統(tǒng)設(shè)計中常見的模擬零件，而在造成這股風(fēng)潮的諸多原因當(dāng)中，最重要的就是數(shù)字技術(shù)能提供更高階的芯片整合度。隨著數(shù)字組件成為電源系統(tǒng)的主要零件，新的機(jī)會也開始出現(xiàn)，可將數(shù)字智能分布至整個電源系統(tǒng)，進(jìn)而改善電源使用率、降低功耗和提升整個主機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)能力。就許多方面而言，行動電話市場在先進(jìn)數(shù)字電源技術(shù)的實作確實居于領(lǐng)先地位，但現(xiàn)在包括PDA、數(shù)字相機(jī)和行動網(wǎng)絡(luò)家電在內(nèi)，許多其它應(yīng)用也開始采用行動電話率先探索的電源系統(tǒng)創(chuàng)新功能，這會讓電源供應(yīng)從獨立電路變成系統(tǒng)外圍，并與操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)可用電源能夠發(fā)揮它們的最大效益。