用 IC 給移動設備供電變得更容易了

引言

就像其他很多應用一樣，低功率、高精度組件已經(jīng)使移動設備出現(xiàn)了迅速增長。然而，與其他很多應用不同的是，面向工業(yè)、醫(yī)療及軍事應用的便攜式產(chǎn)品一般對可靠性、運行時間和堅固性的要求高得多。這類高要求產(chǎn)生的負擔大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。這類產(chǎn)品的一個共同特點是，必須在使用各種電源時正確工作且在各種電源之間無縫切換。因此，必須竭盡全力提供保護以及承受故障，在電池供電時最大限度延長運行時間，并確保只要存在有效電源，就能夠可靠運行。

顯然，滿足這些需求所需電源管理集成電路 (PMIC) 必須允許應用由多種電源供電，其中可能包括交流適配器、USB 端口、汽車點煙器適配器或甚至鋰離子電池。如果 PMIC 集成了電源通路 (PowerPathTM) 控制功能，那么這一要求可能很容易滿足。這種方法確保系統(tǒng)電源保持不間斷，并容許外部電源和電池電源之間以熱插拔方式轉(zhuǎn)換。在有些情況下，PMIC 中可能還包括電池充電器。如果這樣，那么這種電池充電電路需要確保利用應用不需要的多余電量給電池充電。此外，內(nèi)置保護電路有時是必要的，以抵御超過 30V 的外部過壓故障。最后，無負載靜態(tài)電流必須很低，以在很寬的負載及工作條件范圍內(nèi)提供最佳電源效率。這類功能對于任何產(chǎn)品的成功和實用性都是至關(guān)重要的。

行業(yè)趨勢

盡管產(chǎn)品尺寸越來越小，但是對功能的需求卻不斷增加。此外，現(xiàn)在的業(yè)界趨勢是，為移動產(chǎn)品供電的微處理器 (µP)、微控制器 (µC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 等尖端數(shù)字 IC 不斷降低其工作電壓，但與此同時卻不斷提高其安培數(shù)。在設計產(chǎn)品時，微處理器是最流行的器件，飛思卡爾、英特爾、NVIDIA、三星以及其他供應商所提供采用各種節(jié)電方式的產(chǎn)品也越來越多。這些產(chǎn)品用來跨多個細分市場，使多種便攜式、無線及移動設備應用實現(xiàn)低功耗和很高的處理性能。

使用這些處理器最初的目的是，幫助 OEM 開發(fā)更小、更具成本效益、電池壽命更長的便攜式手持設備，同時提供增強的計算性能，以運行功能豐富的多媒體應用。然而，非便攜式應用現(xiàn)在也開始需要同樣高的電源效率和處理性能了。例如，汽車信息娛樂系統(tǒng)和其他嵌入式應用都需要類似水平的電源效率和處理能力。在所有情況下，要正確控制和監(jiān)視微處理器電源，以使這些處理器的性能優(yōu)勢全部發(fā)揮出來，就必須使用高度專業(yè)化、高性能的電源管理 IC。

如今的工業(yè)和醫(yī)療移動設備很多在電源加電以及給各種不同的電路加電時，都需要受控和經(jīng)過精心設計的排序功能。實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性及簡單的排序方法不僅使系統(tǒng)設計更容易，也提高了系統(tǒng)可靠性，并使單個 PMIC 在系統(tǒng)中能夠應對更廣泛的組件，而不是僅滿足一個具體的處理器的需求。

歷史上，許多 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統(tǒng)和微處理器所需的功率。任何旨在滿足已簡述之工業(yè)或醫(yī)療電源管理 IC 設計限制條件的解決方案都必須實現(xiàn)高集成度的整合，包括大電流開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO、寬工作溫度范圍、電源排序和重要參數(shù)的動態(tài) I2C 控制以及難以制作的功能部件。此外，具高開關(guān)頻率的器件允許使用更小的外部組件，同時陶瓷電容器可降低輸出紋波。這種低紋波與準確、響應速度很快的穩(wěn)壓器相結(jié)合，可滿足 45nm 型處理器苛刻的電壓容限要求。這樣的電源 IC 還必須能夠滿足嚴格的環(huán)境限制，諸如提供輻射抑制，即使輸入電壓直接由電池本身提供。

設計挑戰(zhàn)

當今的智能手機和平板電腦設計師面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。其中包括需要高性能電源管理系統(tǒng)，以顧及日益提高的系統(tǒng)復雜性和更高的功率預算。這些系統(tǒng)努力在較長電池運行時間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小尺寸、有效的熱量管理等相互排斥的目標之間實現(xiàn)最佳平衡。

所有智能手機和平板電腦的一個共同目標是，在目前的水平上，進一步降低它們所消耗的功率。任何系統(tǒng)的功耗都能夠以兩種方式應對：首先，跨整個負載電流范圍最大限度提高轉(zhuǎn)換效率;其次，降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在所有工作模式時的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗過程中發(fā)揮積極作用，電源轉(zhuǎn)換和管理 IC 必須更高效，且在所有工作條件下，具備更低的功耗水平。

為了滿足這些特定要求，凌力爾特在很多電源管理及轉(zhuǎn)換 IC 中納入了突發(fā)模式 (Burst Mode®) 技術(shù)。這種技術(shù)最大限度降低了 IC 本身在備用模式時所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低于 20mA。

直到不久前，鋰離子電池供電產(chǎn)品的設計師一直用兩種基本方法應對由于電池尺寸小因而容量有限的挑戰(zhàn)。一種方法是設計使用單獨組件的系統(tǒng)，每個組件為單一功能而優(yōu)化。這種方法提供最大的設計、布局和熱量管理靈活性，同時使每種功能實現(xiàn)了恰當?shù)男阅芩?。但是這種方法有一個主要缺點，即成本相對較高，需要占用大量電路板空間，以滿足日益增加的功能需求。

另一種替代方案是設計師可以從多種高集成度 PMIC 中進行選擇。這些器件所支持的功能通常超出大多數(shù)應用的實際需要，包括開關(guān) DC/DC 控制器、單片式開關(guān)電源和眾多集成型 LDO 與無關(guān)的混合信號功能部件 (例如：觸屏控制器、音頻編解碼器等等) 的笨拙組合。結(jié)果，這些 PMIC 可能十分笨拙，難以使用，而且大多數(shù)需要僅為器件接通而大量投資開發(fā)固件。這類產(chǎn)品往往更重視集成而不是性能，常常由于將熱量集中到產(chǎn)品內(nèi)的單個“熱點” 上而使熱量管理更加復雜。諷刺的是這類高集成度解決方案也需要占用相對較多的電路板空間，因為它們的封裝較大、引腳數(shù)較多。最后，這類解決方案迫使設計師大膽安排電路板布局，以顧及所有有關(guān)外部組件 (MOSFET、電感器、二極管和各種無源組件)，以及顧及從 PMIC 跨整個系統(tǒng)到各種負載所需的有關(guān)布線。

不過，現(xiàn)在有一種新的方法可用，這種方法介于使用多個電源 IC 或使用高度復雜的 PMIC 這兩種方法之間，是一種適度集成但功能強大的 PMIC。這個 IC 就是凌力爾特不久前推出的 LTC3676 / LTC3676-1。

LTC3676 / LTC3676-1 是完整的電源管理解決方案，適用于飛思卡爾 i.MX6 處理器、基于 ARM 的處理器以及其他先進的便攜式微處理器系統(tǒng)。LTC3676 / LTC3676-1 含有 4 個同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，每個都可為內(nèi)核、存儲器、I/O 和系統(tǒng)級芯片 (SoC) 軌提供高達 2.5A 的電流，該器件還含有 3 個面向低噪聲模擬電源的 300mA 線性穩(wěn)壓器。為提供 / 吸收電流和跟蹤運行情況，LTC3676-1 配置一個 1.5A 降壓型穩(wěn)壓器，以支持 DDR 存儲器終止，該器件還為 DDR 增加了一個 VTTR 基準輸出。這兩個引腳從功能上取代了 LTC3676 LDO4 的使能引腳和反饋引腳。LDO 4 仍然可通過 I2C 編程。高度可配置的電源排序功能、動態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)、按鈕接口控制器以及通過 I2C 接口實現(xiàn)的穩(wěn)壓器控制功能支持多個穩(wěn)壓器，另外通過中斷信號輸出，還提供廣泛的狀態(tài)和故障報告。LTC3676 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 處理器，具有 8 個處于合適功率級的獨立電源軌以及動態(tài)控制和排序功能。其他特點包括接口信號，例如：待機電壓 (VSTB) 引腳，其同時在多達 4 個電源軌上切換編程運行與待機輸出電壓。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm x 0.75mm 裸露焊盤 QFN 封裝。

圖 1：簡化的 LTC3676-1 典型應用原理圖

面向應用處理器的 LTC3676 電源管理解決方案可應對前述的工業(yè)和軍事系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。LTC3676IUJ 是高溫 (I-級) 版本，額定結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C，非常容易滿足高溫工作要求。該 IC 包括專為結(jié)溫監(jiān)視提供的過熱警告標記和中斷信號，還包括過熱硬停機，以在功耗管理不當或萬一出現(xiàn)嚴重故障情況時可靠保護硬件。

LTC3676 PWM 開關(guān)頻率專門調(diào)整到 2.25MHz，有保證的頻率范圍為 1.7MHz 至 2.7MHz。其內(nèi)部穩(wěn)壓器還可以設定為強制連續(xù) PWM 工作模式，以防止在脈沖跳躍模式或突發(fā)模式甚至在輕負載時工作。這不僅保持了頻率固定，而且進一步降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。

結(jié)論

為工業(yè)、醫(yī)療或軍用細分市場設計新式移動設備是一項富有挑戰(zhàn)性的任務，因為在尺寸日益縮小的空間中提供強大處理能力的要求看似截然相反。不過，由于有了如凌力爾特等供應商提供的器件，系統(tǒng)設計師現(xiàn)在可以采用“折中”方法，用適度集成的 PMIC 滿足電源需求。與使用單獨的 IC 一步一步地搭建系統(tǒng)或者使用復雜笨拙、高度集成、滿足所有功能和固件需求的 PMIC 這兩種方法相比，這種折中方法更加實用。

無論哪種方式，選擇的是他們做!!!