便携式应用中的有源电源管理

    移动电话、智能电话、PDA以及媒体播放器等当今便携式消费类电子产品均拥有非常丰富的特性与功能。这些产品高、中、低端一应俱全，其性能水平和体积大小也各不相同。总体说来，便携式应用的尺寸越来越小、功能越来越丰富、性能也越来越高，但功耗却一直居高不下。

    相关示例数不胜数，如超过300万象素可拍照手机的高分辨率摄像头、电流超过1A的单个高功率闪光灯LED或数码相机中的氙气闪光灯、智能电话或媒体播放器中的高级音频或功放系统，以及大多数便携式应用中均配备的高分辨率LCD显示屏等。

    设计师面临着必须同时满足静态和动态电源管理需求的挑战。随着便携式产品的功能日益丰富，应用对单电源也提出了更高的要求，从而导致电量消耗显著加大，电池使用寿命相应缩短。

    另外，模拟与数字基带处理器单元、中央处理器主机，尤其是各种新推出的图形及音频专用处理器等，无论在先进性还是在集成度方面都在不断提升。随着产品功能的增多，IC的集成度也随之提升，因此需要更多的电源轨，或在同样数量的电源轨上施加更高的电源电流。

    大多数便携式消费类产品均使用标准的高性能锂离子电池(通常为单电池配置)。鉴于电池电量有限，制造商不得不在下列两种情况中做出决断，要么为用户提供功能丰富的应用但忍受较短的电池使用寿命，要么牺牲应用的功能丰富性而确保较长的电池使用寿命。但当今的消费者既希望获得高端产品，同时又要求电池具备超长使用寿命。

    便携式系统中的动态电压缩放(Vbat大于Vrail)

    锂离子电池技术中最常见的电压范围是4.2V~3.0V。新的电池或未来的化学技术一方面将实现高达4.5V的电压，另一方面需要将放电截止电压降低至3V。这就意味着可用的输入电压范围变得更为宽泛了，因而也就可以在该范围内添加更多的电压轨。

    当今的系统电压轨通常低于3V(如处理器内核电源、I/O电源及内存电源)或高于5V。这些电压轨通常由分立LDO、中或低功率DC/DC转换器、多通道电源管理单元(PMIC)或模拟基带(ABB)单元等其他来源产生。电源管理设计为各种处理器提供了必要的电压轨、正确的电压及电流大小。如果应用切换到“关闭”或预定义的“省电”模式，通常情况下，所有的处理器及电源管理器件都会进入轻负载或待机模式。这样，电压电平将会降低，流耗也降至最低。在最佳情况下，每个IC仅消耗几个uA的电流。上述情况是静态的，一旦电源管理设计完成，电压轨受到影响的可能性极小。

    近期推出的分立式低功率降压DC/DC转换器及高集成度多通道电源管理单元(PMIC)已经具备了串行I2C接口能力。随着串行接口在分立电源管理器件中的使用，将进一步减少对电压轨的影响。通过将软件工具、处理器控制功能与串行标准I2C接口相结合，数字单元与模拟电源管理IC之间实现了前所未有的高性能信息交换。电压、电流以及功率的实时调整成为现实。另外，还可实现对电源管理及监控的软件控制，因而在现有的满负载到系统待机模式之间可以存在多种省电模式。

    I2C接口有三种不同的速率选项：标准100kbps、快速400kbps以及高速3.4Mbps。利用分立式低功耗DC/DC转换器或PMU，设计师现在可以动态地精确调整分立电源管理器件的输出电压，进而调整任何处理器单元的内核供电电压。这种设计需要使用快速DC/DC转换器。例如，开关频率为3MHz以上的转换器可确保快速信号的瞬态响应。另外，低功耗DC/DC转换器或PMU应具备不同的工作模式，如PFM或强制PFM，以便通过自调节或通过I2C控制信号进入某项工作配置。

    该设计可在不牺牲整体性能的情况下精确满足系统性能需求。因此使每种工作条件或处理器模式的功耗均实现最低，从而延长电池使用寿命、减少器件发热量并增强整体系统性能。

    DC/DC转换器及具有I2C接口的电源管理IC

    例如，单通道低功耗DC/DC转换器TPS62350可支持所有三种I2C速度模式。采用微型12球栅芯片级封装(CSP)的降压转换器可在单个锂离子电池的输入电压范围内提供高达800mA的输出电流，效率高达90％。利用I2C接口可调整输出电压以支持最新一代的处理器及具有12.5mV“微小步长”、最小输出电压为0.6V的电源轨。可编程DC/DC转换器有助于延长3G智能电话、PDA、数码相机及其他便携式应用的电池使用寿命。

    借助I2C接口降低功耗的另一种方法是采用像TPS65020这样的器件。这种高度集成的PMIC具有六个输出信道、三个低功耗DC/DC转换器以及三个LDO，效率高达97%。

    I2C可以动态地调整并测量通常为处理器内核供电的主DC/DC转换器的输出电压。另外两个DC/DC转换器可用于为I/O电源、存储器或其他电源轨供电。此外，通过I2C也可以使不同的构建块(如IC上所有三个LDO或DC/DC转换器)在“开/关”之间切换，以降低整个PMU的功耗及发热量。“关闭”不同的构建块也可动态降低静态电流的消耗。

    另一种方法是使用DC/DC转换器的预设输出电压。TPS62400是一款双通道的降压转换器，该器件不带I2C接口，但具有被称为“Easyscale”的单线接口。通过Easyscale，我们可以在运行过程中访问并更改存储于器件EEPROM中的预定义输出电压。根据所选输出电压的范围(0.7V～6.0V)，电压步长(Voltage step)可小至25mV、50mV或100mV。

    总之，动态电压测量可降低整体功耗、优化系统性能并延长电池使用寿命。可根据器件活动、工作模式以及温度变化等动态控制电压大小、频率及功率预算，以使电源系统更灵活。

    便携式系统中的降－升压DC/DC转换器(Vbat等于Vrail)

    另一方面，摄像模块、音频放大器、内存卡以及其他子系统需要数倍于3.1V、3.3V或3.6V的电源电压。当电池电压超过目标电压轨时，根据定义则电源功率级需要降低电池电压；反之，则升高电池电压。有多种解决方案都可解决 
这一难题，如SEPC、反向转换器(Flyback Converter)或级联式升、降压转换器。每种解决方案都各有其自身的优劣势，但都无法同时实现最小的体积和最高的效率。

    最新解决方案是近期推出的一款高集成度降－升DC/DC转换器TPS63000。该转换器具有4个组合了独特控制设计的集成主电源FET。由于解决了现有解决方案的效率降低问题，当电池电压与输出电压相同或相近时(Vbat=Vrail)，优化后的效率最高可达96%。这意味着什么？首先，与现有解决方案相比，其效率提高了2%~6%；其次，更为重要的是这种效率优势能够体现在整个电池电压范围内。

    这样就实现了电池容量的最大化利用，从而显著延长电池使用寿命，并最终带来超长的系统/应用工作时间及待机时间。

    第二个要讨论的重要问题是使体积最小化，该款集成转换器采用3x3mm2 QFN封装，与2.2uH电感器的大小相同。为减少无源组件数，可预设输出电压(如3.3V)来使总体组件数减少到4个：IC+电感器+2个电容器。

    本文小结

    便携式应用的电源管理正向效率更高、体积更小、更加灵活的方向发展。随着接口功能的推陈出新，新的控制方案、电源轨的快速控制、数字处理器及其模拟电源管理组件之间的通信都将实现全面的提升。

    功率预算的实时调整、处理器省电方案的调整以及负载条件下电压轨的优化等都将使电池更加智能化。这对于提高应用的使用时间以及延长电池使用寿命等都极有帮助，并在用户使用系统所有功能的前提下显著延长待机时间、通话时间或播放时间。