如何為筆記本電腦選擇合適的電源管理IC

　　在筆記本電腦中，高效率的電源管理電路能夠提供較長的電池壽命，而且只占用較小的電路板尺寸，同時還可以提供低噪聲、低成本、極短的設計周期等優(yōu)勢。先進的模擬IC公司針對各種便攜產品推出了眾多電源管理IC，對于筆記本電腦設計者來說，首先需要考慮的是根據(jù)特定設計目標選擇合適的產品。

　　如果把CPU看作筆記本電腦的大腦，遍布整個主板的電源則被視為心臟和血管 — 將能量輸送到大腦及系統(tǒng)的其它部分。不同負載需要不同類型的電源，但共用同一輸入電源，輸入電壓范圍從7V直至20V。產生5V以及3.3V總線電源的電池充電器、主調節(jié)器，以及為圖形芯片組、DDR內存、I/O控制器和CPU核供電的調節(jié)器都是典型的降壓型開關調整器，如同步整流變換器。唯一具有不同拓撲結構的電源就是CCFL背光逆變器，位于面板組件。

　　Maxim作為業(yè)內領先的模擬IC供應商，為筆記本平臺提供了數(shù)百種電源管理IC。電源管理方案的關鍵特性決定了電池工作壽命、系統(tǒng)性能、成本，這些特性包括控制架構、輕載模式、功率開關的選擇等。除了這些關鍵特性外，保護電路在筆記本電腦中也非常重要。

　　圖1 筆記本電源管理IC提供不同的集成度：（a）分立控制器和驅動IC、外置開關管；（b）集成控制器和驅動器；（c）內置MOSFET開關的集成產品，用于4A以下的系統(tǒng)供電。

　　控制架構

　　在筆記本電腦中，要求DC－DC轉換器能夠精確地調整其輸出電壓。電壓調節(jié)通過反饋控制環(huán)路實現(xiàn)，該控制環(huán)路在每個開關周期將能量從輸入源傳遞到輸出負載。對負載變化的響應速度主要取決于控制方案。傳統(tǒng)的固定頻率PWM控制架構之所以應用廣泛，主要有兩個原因：可以選擇開關頻率以避開455kHz中頻等噪聲敏感區(qū)域，電感紋波電流保持相對穩(wěn)定，從而簡化了電路設計和輸出紋波電壓的估算。但是，開關操作所固有的延遲（負載瞬變與后續(xù)時鐘之間的延時）也會降低系統(tǒng)響應。實際系統(tǒng)的環(huán)路帶寬一般在開關頻率的1/6和1/10之間，需要較大的去耦電容來滿足嚴格的負載瞬態(tài)響應要求。

　　“滯回控制”結構的響應速度遠遠高于“固定頻率控制”結構，因此成為一種非常流行的架構。不存在時鐘，系統(tǒng)能夠迅速響應負載變化，并且需要更少的輸出儲能電容。例如，Maxim專有的Quick-PWMTM控制架構，融合了固定頻率控制和滯回控制架構的優(yōu)點。這種架構的核心電路是快速、低抖動、可調節(jié)單穩(wěn)態(tài)，設置高端MOSFET的導通時間。雖然沒有固定頻率時鐘發(fā)生器，所采用的算法能夠平衡電感電流，保證接近恒定的開關頻率。

　　輕載模式

　　提高輕載效率是延長筆記本電腦電池壽命的關鍵，雖然強制PWM模式可以維持相對恒定的開關頻率，但卻在空載使造成10mA至50mA的電池損耗，具體取決于開關頻率和外部MOSFET。強制PWM模式非常適合低噪聲、高負載瞬態(tài)響應的應用，而且能夠為動態(tài)輸出電壓調節(jié)提供吸電流能力，在基于反激變壓器或耦合電感的多輸出電壓設計中能夠減少交叉調整問題。

　　為了使空載電池電流最小，在電感電流為零時關閉低邊開關，并將關閉狀態(tài)保持到輸出電壓跌落至設定點為止，這種架構隨著負載電流的降低可以有效降低開關頻率。啟動輕載跳脈沖模式時，開關波形會出現(xiàn)較大的噪聲，并且不同步，這是一種正常的工作模式，可提高輕載效率。

　　跳脈沖模式下，低于20kHz的頻率可能產生音頻噪聲。一些控制器能夠將最低頻率限制在25kHz，假如在最后28μs內沒有開關操作，則開啟超聲跳脈沖模式。低邊開關首先導通，以降低電感中的負電流，當電感電流達到設定的負電流門限時，啟動開關周期。

　　功率開關的選擇

　　完整的DC－DC轉換器包括控制器、驅動器以及功率電路。可以分別設計這些基本單元，也可以將其集成在一起（圖1）。圖1a集成度最低，但為客戶優(yōu)化系統(tǒng)提供便利條件。輸出電流可以通過選擇合適的驅動器和MOSFET進行設置；缺點是需要復雜的電路布板和較高的系統(tǒng)成本。

　　圖1b將控制器和驅動器集成在一起，Maxim用于筆記本電腦的功率管理IC多數(shù)為這種架構。該架構允許用戶設計不同級別的輸出電流 （從幾個安培的主電源到45A的核電源），布板比較簡單，系統(tǒng)成本也更低。

　　對于小于4A輸出電流的應用（DDR電源和一些GPU電源），圖1c所示內置開關電路更具成本優(yōu)勢。該系統(tǒng)通常能夠工作在更高的開關頻率，從而減少無源元件，如輸出電感和輸出電容的尺寸。如MAX1536降壓調節(jié)器，其特點是內部集成PMOS高邊開關以及內置NMOS同步整流器，并可工作在1.4MHz開關頻率下，為負載提供3.6A的電流。同樣重要的是，該器件封裝在一個很小的28引腳5×5mm的薄型QFN封裝內。

　　保護電路

　　筆記本電源管理IC包含了所有典型保護電路：輸入欠壓關斷、輸出過壓、輸出欠壓、電流限制、ESD保護、熱關斷等。一些最新推出的IC還具有一些先進功能，如輸出功率監(jiān)測及電感飽和保護等。