下一代便携式设备的电源管理挑战及最新解决方案

2007/10/16 9:57:08   电源在线网

    　　手机、多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、数字相机、便携式视频游戏机、个人导航系统(PNA)等等，这些深受消费者喜爱的便携式消费电子产品的一个基本问题是：它们的功能越来越丰富，外形尺寸也日益精巧，但电池能量密度的提高速度远远跟不上复杂度不断提高的便携式设备的功耗要求，而人们却希望能在充电时间间隔较长的情况下，利用这些轻薄短小的便携式消费电子享受移动娱乐和移动通讯。特别是这些产品功能的融合趋势，例如将带拍照和摄像功能的手机、个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)、MP3以及视频功能集成到一个智能手机中，进一步加剧了这个问题的严重性。 
　    　便携式设备的另外一个趋势是加入高容量的微型硬盘驱动器，从而使智能手机、PMP等拥有高密度存储能力。所用的大部分硬盘驱动器都具有一个直径为1英寸或更小的盘片，在盘片旋转加速的过程中，峰值电流需求有可能高达500mA，这无疑给紧张的功率预算雪上加霜。2.5寸、3寸甚至5寸彩色lcd屏的逐渐采用也使得高效率的LED背光和LCD偏压继续成为备受关注的电源|稳压器管理技术。此外，由于MP3、PDA、GPS设备和笔记本电脑大量使用USB接口，兼具数据传输和充电的单一miniUSB接口成为手机未来的发展趋势，这也要求有新的电池管理和电源管理芯片。 
　　    幸运的是，不断发展的电源管理技术正在满足便携式消费电子产品对电池使用时间、功能集成度、可靠性、外形因子以及成本这些看起相互矛盾的应用需求。例如，采用电源路径管理技术的电池充电器IC允许在给电池充电的同时运行系统；结合了开关型调节器和LDO调节器优势的新型电源管理IC可进一步提高功率转换效率；动态功率调节技术有效提高了负载功率的使用效率；电源管理单元(PMU)更是可以在一个很小的面积里集成了几乎所有电源功能，最大限度地减少了电源系统占位面积。本文将重点讨论面向便携式消费电子产品应用的电池充电管理IC、LDO、DC/DC调节器、PMU、LED电源驱动IC等电源管理技术的最新发展趋势和解决方案。 

　　电源路径管理技术满足同时充电和负载供电需求 
　    　大多数便携式消费产品通常都可以通过一个AC适配器、一根通用USB电缆或一节锂离子/锂聚合物电池来供电。有时人们希望在给设备充电的同时继续观看视频、打电话或者玩游戏。为满足充电过程中的系统大电流需求，很可能出现充电电流比较小，造成充电管理指示不准确的现象。因此，这些电源之间的电源路径管理非常重要。 
　    　凌力尔特的LTC3555可解决这些问题，它对AC适配器、USB电缆和锂离子电池之间的功率路径进行无缝管理，并遵循USB电源标准。该芯片还具有一个可提供高达1.2A充电电流的全功能锂离子/锂聚合物电池充电器，以及3个高效同步降压型转换器(用于产生大多数USB外设都需要的低电压轨)。LTC3555的功率传输方法不同于现有的电池和电源管理IC(后者是充电器馈送系统)。在此类系统中，外部电源并不直接向负载供电，而是采用AC适配器或USB端口来给电池充电，然后再由电池向负载供电。如果电池被深度放电，则在负载获得功率的过程中会有一个延迟。这是因为在电池获取所需的最小电荷量之前是不能够从它那里吸取功率的。采用LTC3555可消除该延迟，从而使得便携式设备能够在墙上适配器或USB电源接入后立即上电。此外，该芯片还将把负载未使用的所有可用功率都用来给电池充电。 
　    　“这能带来两个好处，即消除充电延迟，且允许电池充电和负载供电同时进行，从而延长了应用的有效运行时间，并在与USB电缆相连时加快了充电速度。这种电源管理方法的另一项优势是在可以使用AC或USB电源的情况下提高效率。”凌力尔特公司产品市场经理Tony Armstrong表示。 
　　    此外，手机充电器及接口技术的标准化符合人们的需求，单一的miniUSB接口既用于数据传输又用作供电，成为未来的发展趋势。TI的单节锂离子电池充电管理芯片BQ24070正好可满足这一需求。作为TI高集成度bqTINY-III系列充电与系统电源管理器件的一员，它集成了2A AC电源开关、1.5A充电FET、电流传感器、反向阻断保护和热稳压等电池管理功能。它采用了TI的动态电源路径管理(DPPM)技术，可为系统供电同时独立为电池充电，并根据系统电压动态调节充电电流。 
　    　TI公司的高性能模拟产品高级市场营销工程师何信龙介绍道，“BQ24070支持单一的miniUSB接口，可自动选择AC Adapter或USB供电，并可根据不同的电源选择不同的充电速率。当电源供应不足，而充电时Wi-Fi、蓝牙和手机电视等功能又需要瞬间大电流时，电池可以补充供电。” 
　    　近年来，多功能电池电源管理IC可承担电池充电、DC/DC转换、电池保护、电池监视或电源选择功能。例如TI的TPS65800也对USB端口和AC适配器电源提供灵活的充电和系统电源路径管理。它对由单芯锂离子或锂聚合物电池供电的应用，也具有多电源输出和几种电路选择。TPS65800在独立对电池进行充电时，还对系统进行供电，减少了电池的充电和放电周期。它能自动选择USB端口或AC适配器作为系统的电源。在USB配置中，主机可以在预设置的100mA和500mA充电速率中选择。IC基于系统负载对USB充电速率进行动态调整，以保持100mA或500mA的充电速率。 
　    　Microchip公司的MCP73811及MCP73812型(MCP7381x)锂离子/锂聚合物充电管理控制器，也提供全集成的充电管理功能，以及高至500mA的可选或可编程充电电流。它们兼容USB，同时配备集成电流感应、传输晶体管，以及板上逆向电池保护功能。MCP7381x充电管理控制器可兼容USB输出功率规格，能够通过大部分个人计算机上的USB端口取电，无需连接外部电源适配器。此外，这些器件具有片上热调节功能，能在温度超出安全水平时降低充电电流。 

　　集成LDO和DC/DC调节器的方案平衡效率和尺寸 
　    　手机的基带处理器传统上利用LDO线性调节器供电，其优点是在各种条件下的输出噪声偏差低、外部元件少、尺寸小、易使用，缺点是效率低，而且效率随芯片组电压的下降而降低。随着手机功能对功率需求不断增加，设计者正采用DC/DC调节器来代替LDO，以提高效率和维持电池寿命。尽管DC/DC调节器提供了一种高效率的替代方案，但它要成为理想的电源管理器件，还需解决尺寸、噪声和开关损耗较大的问题。 
　    　飞兆半导体公司Bruno Kranzen经理表示，由于电池的能量或容量将难以随着电源要求不断提高，因此在更小的外形尺寸中提供更高效率的DC/DC转换是有效的办法，在这些系统中存在一种用开关DC/DC调节器替代线性调节器的趋势。” 
　    　例如，飞兆半导体的高速开关DC/DC调节器FAN5350的开关频率达到3MHz，专为手持式应用的内核处理器供电而设计。ADI公司的ADP2102是一个600mA、3MHz的降压调节器，与微型陶瓷感应器和电容器共存时仍然可以提供高达93%的效率。 
　    　ADI公司便携式电源产品市场总监Arcadio Leon认为：“提高频率可以采用较小的电容和电感，从而减少占位面积，但由于提高工作频率也降低了总系统效率，所以未来的挑战在于在工作频率和形状因子之间找到一个理想的平衡。” 伴随开关频率的升高，DC/DC调节器的效率优势会大打折扣。2MHz频率下DC/DC开关引起的损耗占总损耗的20%，但在8MHz频率下，开关损耗会上升到40%以上。 
    　　显然，一种平衡效率、尺寸和成本的方法是结合开关式DC/DC调节器和LDO的新型电源管理IC，它们具有前者的高效率，以及后者的小尺寸和易用性优势。 
　　    比如，Micrel最近推出的电源管理芯片MIC2800提供三个电压输出：一个开关式DC/DC调节器输出、两个LDO输出。片上2MHz DC/DC调节器可提供高达600mA的电流，效率达到93%以上，只需要微型的2.2μF输出电容和一个2.2μH电感来稳定电压。该公司的电源产品市场和应用总监Ralf Muenster举例说，在数字多媒体广播(DMB)应用中，若采用LDO将锂离子电池电压分别转换为1.8V(给I/O供电)和1.2V(给内核供电)，效率分别为50％和33％，而采用集成在MIC2800中的DC/DC调节器将锂离子电池电压降低到1.8V，效率为93%；然后用集成在MIC2800中的LDO将1.8V转换为1.2V，效率为66%。另一个LDO输出则提供第三个电压，如2.8V的RF电压轨。 

 
　　Micrel公司电源产品市场和应用总监Ralf Muenster
　　    安森美公司的NCP1526双输出DC/DC调节器也集成了3MHz的步降开关调节器和LDO调节器，为数字多媒体广播(DMB)芯片组或WLAN模块中的数字内核电路和RF电路提供电源。这种具有数个DC/DC调节器和LDO输出的电源子系统有助解决翻盖或滑盖手机的板面布局问题，缩短从主板PMU到翻盖PCB的电源走线，减少EMI问题。 
　    　安森美半导体产品市场营销经理何佳汉还表示，电源管理器件不仅应显著提高满载工作(当前的基准为90%)下的功率转换效率，还需降低长时间待机(当前的基准为1uA)状态下的能耗。对于 DC/DC调节器而言，技术发展趋势将采用更多在 PWM 模式与脉冲模式(替代纯 PWM 模式)间进行自动转换，以节省轻载工作下的能耗。 

　　LED背光和闪光灯应用的电源需求 
　    　几乎所有的便携式消费电子产品都采用彩色LCD屏来显示用户所需的不同类型的信息和数据。LCD的背光照明一般是由白光led来提供。另外，许多手机还拥有一个能够拍摄高分辨率静止图像和视频图像的内置数码相机，相机性能的提升也产生了对可供相机在室内或者昏暗环境光条件下使用的高功率白光LED光源的需求。这些都催生了以紧凑、高效和低噪声的方式来为这些LED供电的需求。 
　    　白光LED电源ic通常为电荷泵和DC/DC调节器，两者的主要区别在于是否需要一个电感器(磁性元件)。对于必须提供中低负载电流的空间受限型应用而言，电荷泵是一种理想的选择，因为它们采用小外形封装，所需的外部元件非常少。大多数升压型DC/DC调节器则是专为提供用于白光LED背光源的高效和恒定电流驱动而设计的。 
　　    “LED电源IC的技术趋势是集成数字控制接口，以提高操作的灵活性，如 LED 背光调光控制等。”何佳汉说。安森美的电荷泵NCP5602/5612/5623支持多种模式的电压转换，具有更优化的功率转换，并且在锂离子电池的初始工作阶段峰值效率高达90%，平均效率达到85%。这些器件均集成了数字控制接口(单线或 I2C)，实现LED调光控制。NCP5608多模式电荷泵LED驱动器，既能驱动多达4个LED以支持主屏幕和副屏幕的背光功能，还可提供高电流电源，输出电流高达400mA，以驱动1W 的LED。 
　    　凌力尔特的LTC3208是一款无电感器、高电流、软件可配置多显示屏|显示器件LED控制器，能够驱动17个LED。该器件包含一个1A高效率、低噪声充电泵，可为手机的主副显示屏、一个LED的相机显示屏和一个LED的辅助显示屏供电。由于该器件具有高达95% 的效率和一个I2C串行接口。 
　　    “如果面板小只需要LED背光即可，若是3.5寸屏则还需要LCD偏压。针对小面板应用，可以把LED驱动器和LCD偏压集成在一起，但针对大面板应用，集成LCD偏压就比较困难。”何信龙表示。TPS65120转换器可满足为便携式电子设备中lcd模块所需的所有电源要求。这块单电感四输出 DC/DC调节器可为智能电话、PDA、便携式DVD播放器、数码相机以及其他便携式应用中的非晶硅(a-Si)和低温多晶硅(LTPS)显示器提供偏压电源。 
　　    高功率LED的闪光亮度是获得高质量图片的一个因素。在某些情况下，拍照手机的LED亮度受用来驱动高功率LED的升压型DC/DC调节器的效率的限制。这是因为从电池汲取的电流量有限，所以高效率会使提供给LED的功率更高。Arcadio Leon认为：目前的基于感应器的新型照明解决方案具有独特的动态电流管理功能，它使得系统架构工程师能够最大限度地提高供给LED的电流，从而增加亮度并大幅提高图片质量。 
　    　ADI的ADP1653是一个基于感应器的双白色高功率LED驱动器，它可以提供比单个或低效率白色led驱动器亮度更高的相机闪光，这使其可在低光照条件下达到较高的图片质量。ADP1653的峰值功效为92%，锂离子电池全电压范围的典型功效高于80%。较电荷泵解决方案40%的效率，其效率得到大幅提高。 
　　    该器件采用独特的电流管理技术，甚至在电池向多个同时工作的手机功能(如PA和LED闪光)供电的情况下也能保证图片质量。为了降低电池电流的过载，LED的闪光电流会在手机传输RF信号时进行自动调整，这样系统设计工程师在增加LED驱动电流时不必担心系统由于电池的瞬态负载而过早地关闭。 
　    　凌力尔特的LTC3454也是一款专为在大电流相机照明灯应用中优化效率、准确度和LED电流控制而设计的产品。LTC3454是一款同步降压-升压型DC/DC调节器，专为利用单节锂离子电池以高达1A的电流对单个高功率LED进行驱动而优化。根据VIN和LED正向电压的不同，该器件可在同步降压、同步升压和四开关降压-升压模式之间自动切换，能在单节锂离子电池的整个可用电压范围内(2.7V至4.2V)实现高于 90% 的效率。 

 
　　PMU需要平衡集成度和灵活性 
　    　正如NSC亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉所说的：“在设计为了满足客户愿望而集成了如此多特征的便携式设备时，尺寸是个令人头痛的问题。”便携式产品有限的PCB空间，以及丰富功能带来的多电压需求，促使人们不断追求集成化方案。PMU便是满足全面满足这一应用要求的电源管理IC。NSC、Freescale、TI、NXP等公司都推出了针对具体应用的高集成度PMU。 

　　NSC亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉 
　    　例如，NSC面向智能电话或GPS/PMP 等高端便携式电子产品的LP3971，内置了3个可输出高电流的DC/DC调节器及5个LDO；LP3910多输出电源管理芯片不但内置电池充电器，而且还可支持供电路径选择及动态电压调节(DVS)功能，适用于内置硬盘驱动器的便携式媒体播放机。 
    　　Freescale的MC13783将多个系统整合到一个封装中，包括一个完整的音频系统、电池充电系统、照明系统、5个开关调节器、18个线性调节器、USB收发器、车载设备界面和触摸屏接口等，大大减少了所需的部件数量。 
　    　TI的TPS65820不仅有两个降压转换器提供电源给处理器核心、程序内存和闪存，还包含多组线性调节器作为储存卡的电源供应以及卫星接收器和音频编解码器的低噪声电源，并集成了电池充电电路及屏幕背光照明的升压转换器，使一颗芯片就能提供所有的电源管理功能。TPS65820可用在便携式个人导航系统中。 
　    　NXP的PCF50626能将多功能手机、VoIP电话、便携游戏和音乐设备以及无线 PDA的功耗降低最高达70%，它包含一个大电流充电器IC和多个电源输出，并集成了背景照明电路和触摸屏接口。另外，它还可以通过集成的数字接口，以软件方式实现完全的控制。 
　    　但集成度非常高的PMU的一个应用问题就是布局比较麻烦，而且缺乏灵活性，难以同时达到不同市场的要求。如果主芯片的电源要求变了，则要求不同的PMU，而重新开发PMU需要数周到12个月的时间，因此PMU的开发面临如何平衡集成度和灵活性这个问题。 
    　　“从平台或应用角度思考PMU的开发，对平台中所有应用的相同电源功能全部集成在一颗芯片，可以平衡集成度和灵活性。”何信龙表示。他解释说，大多数便携式应用的电源系统主要由三大块组成，CPU等内核电源模块、显示电源模块和电池管理模块。内核电源模块通常采用PMU为CPU、内存、外设、I/O、蓝牙等无线功能供电。对于对同一类应用，内核电源模块所需的电源输出组数是一样，只是针对不同主芯片型号，要求电源输出的值可能不同，这是只要调节电压电流大小即可满足不同设备的内核电源要求。显示屏幕的LED电源由离散器件组成，这能让同一平台的不同机种使用不同的屏幕。独立充电器件(如前面提到的BQ24032A)可实现最佳的充电效率和电池管理功能，设计人员只要改变充电器件即可适应同一平台的不同机种，比如选择是采用大型或小型电池，或选择是否提供USB充电功能。 
　    　基于这种模块化理念设计的电源系统不会浪费电路板空间，但元件的位置更有弹性，且易于实现产品的差异化。TI的TPS65050就是满足这种模块化平台开发理念的PMU。它集成了两个2.25MHz降压转换器，以支持系统的内核、外设、I/O或存储器电压。这两个转换器的输入电压工作范围均为2.5V至6V，这使得器件能够在节电模式下以轻负载电流工作；当功耗降至1uA以下时，还可置于关断模式。此外，TPS65050还集成了两个通用400mA LDO调节器与两个200mA LDO，每个LDO的输入电压范围为1.5V至6.5V，均可通过外部输入引脚来启用，且均可采用其中一个集成的降压转换器供电或直接使用电池供电。

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