集成與靈活性

　　使用獨(dú)立充電組件BQ24032A讓‘熱最佳化局部集成’更為明顯。2Ah以上高容量電池的充電電流最高可達(dá)到1.5A。由于應(yīng)用裝置在耗盡電力的電池透過(guò)此方式充電時(shí)仍須繼續(xù)工作，因此總電流會(huì)等于操作電流與充電電流之和，這將使充電組件因?yàn)橥獠侩娫磁c電池之間的電壓降而出現(xiàn)龐大功耗。‘熱最佳化局部集成’則將這項(xiàng)功能移到采用散熱最佳化封裝的獨(dú)立芯片，這樣就算出現(xiàn)很大的耗電也只會(huì)造成充電電流下降，而不會(huì)像完全集成式解決方案一樣導(dǎo)致過(guò)熱關(guān)機(jī)，或是因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器 (尤其是LDO) 的功耗而產(chǎn)生更多熱量。另外，只要使用獨(dú)立的充電組件，設(shè)計(jì)人員即可調(diào)整這項(xiàng)功能以適應(yīng)同一平臺(tái)的不同機(jī)種，例如采用大型或小型電池，或者選擇是否提供USB充電功能。
 
圖5  60W ICE3BS03LJG演示板的傳導(dǎo)EMI圖

　　這種設(shè)計(jì)不會(huì)浪費(fèi)電路板空間，解決方案的大小與完全集成式設(shè)計(jì)差不多。元件的位置則更有靈活性，這對(duì)形狀不規(guī)則的電路板很有幫助。設(shè)計(jì)人員還能將溫度很高的組件放在適當(dāng)位置，并確保這些容易發(fā)燙的元件均勻分布在電路板上。

布局最佳化的分立解決方案

　　如果從完全集成到熱最佳化局部集成算是一種局部分解，我們當(dāng)然能更進(jìn)一步創(chuàng)造出完全由分立元件構(gòu)成的解決方案。這類(lèi)解決方案必然會(huì)有最多的元件，這不僅使元件清單和庫(kù)存管理更復(fù)雜，通常也會(huì)是最昂貴的架構(gòu)。但盡管如此，這類(lèi)解決方案仍有許多值得采用的理由。

　　我們的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩(wěn)壓器，以TPS61061做為屏幕背光照明電源，處理器相關(guān)電源則由兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 (TPS62300)。分立解決方案必須采用晶圓芯片級(jí)封裝 (WCSP) 之類(lèi)的先進(jìn)微型封裝技術(shù)，才能將設(shè)計(jì)縮小至完全集成或熱最佳化局部集成解決方案的水平。由于封裝的體積和寄生阻抗都很小，這類(lèi)設(shè)計(jì)可將開(kāi)關(guān)頻率提高至3MHz以便使用小型芯片線(xiàn)圈和輸出電容。這類(lèi)解決方案還能采用芯片級(jí)封裝的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，例如此處所用的TI TPS799xx組件。

　　只要采用最合適的微型封裝組件，這類(lèi)設(shè)計(jì)就能將電路板面積縮小到高度或完全集成式解決方案的水平。

　　有兩種理由可能促使設(shè)計(jì)人員選擇分立解決方案。首先，許多電路板的形狀很不規(guī)則，尤其使用電池的便攜式產(chǎn)品最常遇到這種情形。它們有很多凹口來(lái)安裝電池、控制組件、天線(xiàn)或屏幕。日益流行的平面模塊則讓電路板參差不齊，有時(shí)甚至無(wú)法使用高度集成的解決方案。隨著電壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到2MHz以上，無(wú)源元件的位置必須盡量靠近組件引腳以避免電路不穩(wěn)定并降低電磁干擾。完全集成式解決方案對(duì)元件位置的限制很?chē)?yán)苛，任何改變都會(huì)影響系統(tǒng)功能。這類(lèi)電源管理方塊大都采用正方形或略似長(zhǎng)方形的結(jié)構(gòu)。

　　若采用分立解決方案，就算是很不規(guī)則的電路板也能實(shí)現(xiàn)功能完整的設(shè)計(jì)。使用分立設(shè)計(jì)的第二個(gè)理由是可將電磁干擾減至最小。導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度是非常重要的使用者考慮因素，必須在天線(xiàn)端提供良好的信噪比才能確保接收靈敏度。分立設(shè)計(jì)可以將潛在的噪聲源與干擾源安排在距離天線(xiàn)較遠(yuǎn)的地方，同時(shí)將線(xiàn)性穩(wěn)壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線(xiàn)的位置。除此之外，我們也更容易在設(shè)計(jì)發(fā)生問(wèn)題時(shí)更換特別重要的元件，而不必從頭修改整個(gè)設(shè)計(jì)。例如背光照明就是非常重要的功能，這是因?yàn)槎鄶?shù)用來(lái)驅(qū)動(dòng)白光LED的升壓轉(zhuǎn)換器都會(huì)泄漏電流，所以在某些情形下會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在完全集成式組件里，背光驅(qū)動(dòng)器的電磁輻射是一項(xiàng)非常重要的特性，若發(fā)生問(wèn)題就可能需要使用另一顆獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)組件，而對(duì)產(chǎn)品成本造成不利的影響。
  
圖6  分立解決方案利用不同的電源供應(yīng)組件提供不同的電壓
 
未來(lái)展望

　　本文重點(diǎn)放在個(gè)人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (PNA) 這種目前最常見(jiàn)的便攜式導(dǎo)航裝置。我們現(xiàn)在將開(kāi)始考慮每一種做法的未來(lái)發(fā)展性。舉例來(lái)說(shuō)，導(dǎo)航系統(tǒng)與便攜式多媒體應(yīng)用的集成不僅是在意料之中，而且很有必要。MP3播放機(jī)的集成不需額外的電源管理組件，因此不用大幅修改平臺(tái)即可將此功能加入導(dǎo)航系統(tǒng)。視頻播放機(jī)的集成則完全不同，存儲(chǔ)媒體(多半是硬盤(pán))通常需要升降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生操作電壓。大型屏幕需要更多LED做為背光照明，故需更強(qiáng)大的電源轉(zhuǎn)換器。如果高畫(huà)質(zhì)視頻應(yīng)用也在規(guī)劃中，整個(gè)處理器電路有時(shí)就要徹底修改，因?yàn)樗枰\(yùn)算能力更強(qiáng)大的其它處理器單元，但這也會(huì)使總電流消耗大增。想在不使用汽車(chē)電源的情形下延長(zhǎng)產(chǎn)品工作時(shí)間，電池的容量就必須增加。此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)比較像一臺(tái)包含導(dǎo)航等擴(kuò)充功能的便攜式視頻播放機(jī)。這些概念還能用于便攜式游戲應(yīng)用。

　　熱最佳化局部集成是這類(lèi)匯聚系統(tǒng) (convergent system) 的最佳解決方案，因?yàn)檫@種解決方案能將處理器相關(guān)功能的電源管理標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)維持完整的外圍設(shè)計(jì)靈活性。匯聚系統(tǒng)的完全集成芯片常遇到內(nèi)建電源轉(zhuǎn)換器不符實(shí)際需求的情形，熱最佳化局部集成解決方案則能避免這類(lèi)問(wèn)題，進(jìn)而將系統(tǒng)成本最佳化。
 
圖7  分立解決方案的元件位置安排。顏色標(biāo)示方式與圖3相同，所需電路板面積約為175平方毫米。設(shè)計(jì)的形狀會(huì)隨著電路板形狀而改變

結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的三種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設(shè)計(jì)工作。完全集成式解決方案適合不需靈活性的高產(chǎn)量應(yīng)用，分立解決方案則有助于實(shí)現(xiàn)困難電路板布局并達(dá)到嚴(yán)苛的電磁兼容性要求。熱最佳化局部集成解決方案通常是前兩種做法的折衷，特別適合必須支持不同市場(chǎng)的模塊化設(shè)計(jì)。

　　特定環(huán)境下的最佳做法須視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要需求而定。整體需求是由個(gè)別市場(chǎng)需要、技術(shù)可能性和商業(yè)環(huán)境等許多因素組合而成，因此各部門(mén)必須在概念階段密切合作才能得到最好的結(jié)果。幸而TI等大型半導(dǎo)體廠(chǎng)商已能提供種類(lèi)廣泛的組件支持這些概念，并由受過(guò)電源管理技術(shù)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的應(yīng)用工程師提供協(xié)助。