打入工業(yè)和醫(yī)療市場的高集成度電源 IC

采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)需要大量大電流、低壓軌，典型情況為1.8V或更低。除了無數(shù)的低壓軌，這些應(yīng)用中很多還需要3V或3.3V電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅(qū)動器、存儲器、面向外部邏輯電路的I/O電源等供電。在嵌入式應(yīng)用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型DC/DC或LDO產(chǎn)生。

近來，這種同時(shí)要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)和醫(yī)療便攜式應(yīng)用。作為最新和功能豐富的高端消費(fèi)類便攜式設(shè)備，手持式數(shù)據(jù)收集設(shè)備、堅(jiān)固耐用的庫存控制和跟蹤設(shè)備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式EKG設(shè)備以及其他便攜式醫(yī)療設(shè)備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設(shè)備必須堅(jiān)固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜”的。

就便攜式應(yīng)用而言，主電源一般是大型單節(jié)鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產(chǎn)品中3.3V系統(tǒng)電源的電壓。不管這類“便攜式”處理器系統(tǒng)是否是電池供電的，伴隨它們而來的其他復(fù)雜性包括：需要以特定順序?qū)λ须娫吹慕油ê蛿嚅_排序；視系統(tǒng)處理需求的不同而不同，要能夠動態(tài)地調(diào)高和調(diào)低電源電壓。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，滿足所有微處理器和有關(guān)應(yīng)用的電源需求的單個集成式解決方案極其有利。要在多種應(yīng)用中滿足這些需求，就需要一個高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

圖1 LTC3589的簡化方框圖

降壓-升壓功能的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
今天功能豐富的新式電子系統(tǒng)大多數(shù)仍然需要+3V范圍內(nèi)的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統(tǒng)中的I/O或者外部設(shè)備軌供電。在電源管理IC(PMIC)中集成同步降壓-升壓開關(guān)功能后，允許跨2.7～5.5V的整個輸入電壓范圍以高效率實(shí)現(xiàn) 3.3V調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效率比簡單的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器挑戰(zhàn)性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，更是這樣。

減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率
很多任務(wù)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PMIC都帶有各種內(nèi)置的線性穩(wěn)壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設(shè)計(jì)的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線性穩(wěn)壓器進(jìn)行正確管理，那么線性穩(wěn)壓器可能在PC板上產(chǎn)生局部的熱量“熱點(diǎn)”?；蛘撸?dāng)輸入和輸出電壓之差很大，或如果輸出電流很大時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內(nèi)置低壓μP和具功能豐富的器件中，開關(guān)穩(wěn)壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關(guān)模式的電源越來越重要了。不過，LDO提供低噪聲輸出和很高的PSRR性能，因此，必須評估這兩種權(quán)衡之策。在很多情況下，恰當(dāng)?shù)腎C分區(qū)包括兩種類型的穩(wěn)壓器。

今天，幾乎所有應(yīng)用都對系統(tǒng)中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關(guān)工作電流的上升，用開關(guān)穩(wěn)壓器取代LDO變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因?yàn)閱蝹€IC散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執(zhí)行的處理操作的不同而不同，實(shí)現(xiàn)最佳功耗需要對很多內(nèi)核處理軌進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。要以較高的時(shí)鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務(wù)不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應(yīng)的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要動態(tài)調(diào)節(jié)處理器電壓源需要諸如I2C這樣的串行端口來通報(bào)所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個同樣靈活和可編程的電源解決方案。

便攜式醫(yī)療和工業(yè)儀器中的電源管理問題
如同其他很多應(yīng)用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應(yīng)用不同，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)。這種負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確工作，而且視設(shè)計(jì)和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護(hù)設(shè)備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時(shí)最大限度地延長工作時(shí)間，并確保無論何時(shí)，只要有效電源存在，就能可靠運(yùn)行。

此外，功率值隨著功能和有關(guān)電壓軌數(shù)量的增加而增加。除了遙遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用所需維護(hù)要少、能承受極端的溫度變化以及受到機(jī)械振動或沖擊時(shí)不會損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設(shè)備與醫(yī)療設(shè)備有很多相同的要求。

總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

● 集成降壓-升壓型穩(wěn)壓器

● 在功耗與多個開關(guān)穩(wěn)壓器及LDO的高集成度之間權(quán)衡

● 集成動態(tài)I2C控制

● 工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和堅(jiān)固性要求

● 解決方案尺寸和占板面積