便攜式媒體播放器的電源管理

　　最新的市場研究報告顯示，對消費類電子的需求依然很強勁。由于這些消費類電子產品變得越來越小巧輕便且電池使用壽命更長，便攜式音頻/視頻播放器在消費類電子領域日益受到人們的青睞。
　　但是，消費者對更多功能與更高級性能的需求不斷膨脹。視頻編解碼速度更快的處理器以及日益強大的硬盤驅動能力實現了在一個設備中集成音頻/視頻的功能，即便攜式媒體播放器。按照壓縮比率的不同，一款具有20GB硬盤的典型高端播放器可存儲時長為60～80小時的 MPGE視頻或時長為500～600小時的MP3音頻。一些型號還可能具有FM調頻功能或數碼相機功能。

設計挑戰(zhàn)
　　不斷發(fā)展的消費者需求對技術提出了新的挑戰(zhàn)。音頻/視頻回放、游戲等功能都需要高效地使用電池電量。設計時尚、小巧、用戶友好型器件需要采用極微小的電子與機械集成組件。為了盡可能延長工作時間，認真考慮電池的化學特性與容量以及電池電量監(jiān)測功能是至關重要的。對功率轉換電路的正確選擇也決定著電池為系統(tǒng)供電的效率。
器件有著嚴格的尺寸要求，因此設計人員應在小而薄的封裝中采用集成組件，以確保良好的功耗性能。雖然先進的電源IC能在同一器件上集成數個電源通道，但我們必須了解系統(tǒng)的電源分組，以避免過度集成。在復雜的電子系統(tǒng)中，如果所有供電組件都集中在相同的位置，會造成電源管理器件到實際負載點的線跡過長，從而會導致噪聲和散熱問題，進而延長開發(fā)時間。

創(chuàng)新型解決方案
　　一款便攜式媒體播放器處理器、內存以及顯示器需要若干不同的電壓軌和大量的電源電能。電池必須得到高效充電和管理，并實現從電池電壓到 IC電源電壓的高效率轉換。否則，用于音頻的電池使用時間持續(xù)16小時以及用于視頻回放的電池使用時間持續(xù)5小時的目標就很難實現。  

圖1  典型便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)

　　圖1顯示了針對便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)。鋰離子電池充電器能安全準確地給電池再充電，而精確的電池電量監(jiān)測器件可確定充電狀態(tài)，并有助于系統(tǒng)最大限度利用任何可用電量。數個電源轉換器將電池電壓轉換為所需的系統(tǒng)電壓。最重要的是為具有顯示控制器與背光功能的 TFT LCD顯示器供電。對于內存以及其他組件而言，主電源為3.3V電壓軌通常需要高達1A的電流。而對硬盤而言，3.3V的電源通常由獨立的主電源電壓軌提供，因為該電壓軌由系統(tǒng)單獨控制以實現在不需要時將其關閉，因此可節(jié)省能耗。處理引擎需要一些超低內核電壓，1.2V或1.8V即可。音頻必須是具有線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出以過濾開關轉換器的噪聲。

　　充電器必須具備管理若干輸入源的功能，如電腦與外設的USB端口以及 AC/DC墻上適配器。在適配器引腳上的輸入電壓額定值高達18V，這不僅能避免系統(tǒng)在DC電源線路上出現過壓峰值，而且還能使用價格較低的非穩(wěn)壓墻上電源。充電IC能夠決定進入電池的實際充電電流和系統(tǒng)所用的電流。因此，在電池充電和系統(tǒng)運行同時進行的情況下，充電過程也不會出現非正常終止問題。上述解決方案實現了動態(tài)的電源管理，在系統(tǒng)和電池間合理分配可用的DC輸入功率。如果系統(tǒng)電流上升，電池充電電流會自動降低，反之亦然。這樣有助于優(yōu)化成本，使墻上電源也能滿足系統(tǒng)整體對電池與應用的平均用電需要，而不是必須采用滿足最嚴格用電條件的電源。

　　我們可用電池電量監(jiān)測計來精確測定剩余電池電量，從而進一步改善電池管理。這樣，處理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充電時提醒用戶，從而更好地管理媒體播放器的功耗。

　　媒體播放器的功率轉換主要通過轉換DC穩(wěn)壓器來實現。我們認為，就穩(wěn)壓工作而言，線性穩(wěn)壓器解決方案具有體積小和成本低等優(yōu)勢。但如果電流超過300A，就會因為功耗太高而需要占板很大且價格昂貴的散熱片。如果輸出電流較高且輸入至輸出的電壓差分很大，就會發(fā)生此類問題。假設我們用3.6V的鋰離子電池提供1.2V的內核電壓，線性穩(wěn)壓器這時的工作效率只有33%，電池電力大部分都變成散熱消耗掉了。DC/DC轉換器的工作效率實際高達90%以上，其功耗僅為低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 功耗的一小部分。

　　圖3給出了高效功率轉換的實例。為了給1.5V 500mA編碼器/解碼器引擎提供內核電壓，我們采用了一款具有FET的高度集成的同步DC/DC轉換器，從而實現了最大功率效率，并盡可能地減少了外部組件數。采用該解決方案時，無需使用占板較大的散熱片。相對DC/DC控制器解決方案而言，高度集成的DC/DC轉換器采用片上轉換FET并實現內部補償機制。這就是說，設計工程師不必選擇外部晶體管，也不必采用昂貴而難用的設計軟件來分析補償與穩(wěn)定條件。組件選擇非常方便，我們只需按照產品說明書采用推薦的電感器即可。

圖2  具有動態(tài)電源管理功能的雙DC輸入線性充電解決方案

圖3  組件數量少且封裝小巧的高頻3MHz DC/DC轉換器

　　圖3中的DC/DC 降壓解決方案顯示了節(jié)省空間的特性。由于集成了開關晶體管，因此電路只需要一個電感器及兩個電容器。該器件具有獨特的控制架構，可以使電源對負載瞬變快速做出反應并保持高精度穩(wěn)壓。極高的3MHz開關頻率可將電感器尺寸降至僅為1μH，從而能使用高度還不足1mm的芯片電感器。該整體解方案可以構建成適合5mm×5mm的應用。為進一步降低功耗，先進的DC/DC穩(wěn)壓器還提供自動 PFM/PWM 模式轉換功能，在很大負載范圍上,都能最大化轉換效率。低負載電流運行時，轉換器可進入脈沖頻率調制(PFM)模式，而負載電流大于50mA時，脈沖寬度調制 (PWM) 控制方案則能對其提供支持。

結語
　　消費者希望小型設備能夠提供更多功能，且實現更長的工作時間。電池技術與低功耗半導體組件的不斷發(fā)展可以幫助工程師逐步滿足上述要求。精確監(jiān)測電池容量有助于充分利用電池全部電力，與高效的功率轉換相結合，有助于充分發(fā)揮電池的作用。我們采用高度集成的電源管理器件，并盡可能減少外部組件數和縮小封裝尺寸，這有助于高效利用有限的板級空間，以便集成更多功能，并減小產品尺寸與重量。