新興的電源管理技術(shù)助力消費(fèi)類電子產(chǎn)品電源

目前的便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品需要更短的充電時(shí)間、穩(wěn)定的電壓和可靠的電池監(jiān)測(cè)功能，高效的PMIC必須以適于消費(fèi)類電子的小型封裝提供低廉而通用的解決方案，并配以最佳的性能和最高的效率來為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更高的價(jià)值。

隨著CMOS技術(shù)不斷向深亞微米發(fā)展，高度集成的電路同電池續(xù)航能力方面的顯著進(jìn)步共同迎來了消費(fèi)類電子設(shè)備的新時(shí)代，并開創(chuàng)了無限的可能性。要實(shí)現(xiàn)高度集成，就需要我們采用先進(jìn)的電源與系統(tǒng)管理技術(shù)在更小型的封裝中處理更高的電流以及更低的系統(tǒng)電壓，這進(jìn)一步加大了對(duì)散熱管理的要求。此外，隨著越來越多的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了便攜性，電池供電的重要性也日益提高。我們必須能夠監(jiān)控系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率，并盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)不管電池具有何種化學(xué)特性，均應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速充電，這都是消費(fèi)類電子產(chǎn)品開發(fā)商所要面臨的新挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)設(shè)備小型化的空間尺寸要求，并滿足功能升級(jí)的需要，電源、電池管理及專用系統(tǒng)功能均要求高度集成的高級(jí)解決方案，這些都是成功開展消費(fèi)類電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所應(yīng)解決的重大問題。

當(dāng)前消費(fèi)類電子應(yīng)用中的電源管理與供電系統(tǒng)非常先進(jìn)、復(fù)雜。從傳統(tǒng)上來說，我們將不同的系統(tǒng)功能分開來考慮、設(shè)計(jì)并加以集成，供電與管理通常是隨后才考慮到的問題。在許多情況下，我們都采用不同的穩(wěn)壓器，根據(jù)產(chǎn)品功能數(shù)量的不同，設(shè)備中不同的穩(wěn)壓組件可能多達(dá)10個(gè)乃至20個(gè)。這樣的“電源管理”及供電技術(shù)成本不菲、效率低下、占用的板級(jí)空間也很大，上述問題都會(huì)妨礙消費(fèi)類電子應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師而言，高度集成的數(shù)控電源及電池管理IC(PMIC)將成為尖端便攜式產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)發(fā)展策略中至關(guān)重要的部分。系統(tǒng)成本有望不斷降低，同時(shí)靈活性與可靠性也有望提高，這些積極因素都推動(dòng)著數(shù)控PMIC的開發(fā)。

利用“升-降壓”技術(shù)延長(zhǎng)電池壽命

就功能豐富的便攜式應(yīng)用而言，延長(zhǎng)電池使用壽命的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)高效的電源電路，并實(shí)現(xiàn)智能的電源管理。這種電路正從簡(jiǎn)單而效率低下的穩(wěn)壓器電路逐漸發(fā)展成為開關(guān)式穩(wěn)壓器組件。這種過渡對(duì)低壓應(yīng)用尤其重要，這也是消費(fèi)類電子市場(chǎng)的推進(jìn)力量。通過開關(guān)式穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)更高的效率，這一點(diǎn)也受到機(jī)械設(shè)計(jì)人員的歡迎，因?yàn)樾实奶岣邥?huì)降低散熱要求。同時(shí)，隨著外部濾波組件的小型化，相同的特性和功能所需的封裝也越來越小。但是，開關(guān)式電源也確有其弱勢(shì)，用于產(chǎn)生所需電壓(并給低壓組件供電)的脈寬調(diào)制(PWM)總會(huì)給敏感的電路帶來更多噪聲。此外，這種拓?fù)溥€會(huì)在輕負(fù)載情況下降低效率。

消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域的另一項(xiàng)發(fā)展也很引人注目，這就是“升-降壓”穩(wěn)壓器件的采用。許多電池供電的應(yīng)用都需要這種穩(wěn)壓器，因?yàn)殇囯x子電池供電的系統(tǒng)具有VBATT電壓特性(見圖1)，也由于應(yīng)用所采用的許多IP塊都是3.3V的內(nèi)核邏輯器件。當(dāng)VIN大于降壓模式(VOUT)時(shí)，“升-降壓”調(diào)壓器作為線性穩(wěn)壓器發(fā)揮作用，不過當(dāng)VIN下降至低于某一給定閾值時(shí)，又會(huì)過渡成為升壓穩(wěn)壓器。

就鋰離子電池系統(tǒng)而言，電池完全充電以支持降壓工作時(shí)，能夠提供充足的電壓。不過，隨著電池電量的消耗，電池輸出會(huì)下降，到某一時(shí)段我們就必須采用升－降電路的升壓模式來提高電池電壓，并根據(jù)整體設(shè)備規(guī)范要求為負(fù)載的內(nèi)核邏輯器件提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?/FONT>

ASSP電源管理IC

我們?yōu)橹С蛛娫垂芾矶O(shè)計(jì)了專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，在IC中實(shí)現(xiàn)了高度集成和數(shù)字可編程功能，并有助于縮短最終產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程。

電源管理ASSP能夠方便地實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能，沒有它的幫助，我們就不得不采用定制的專用集成電路(ASIC)或綜合使用多個(gè)單一功能分立器件。ASSP PMIC有助于節(jié)約系統(tǒng)制造商的時(shí)間，并降低資源消耗與機(jī)會(huì)成本，進(jìn)而減少印刷電路板(PCB)的空間占用和系統(tǒng)級(jí)成本。

適用于便攜式產(chǎn)品應(yīng)用的PMIC需要提供配套的功耗、電池與復(fù)位監(jiān)控功能。數(shù)字控制可加強(qiáng)抗噪能力，并實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)校正與轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)管理，以前這些功能因?yàn)檫^于復(fù)雜，都很難采用完全模擬的方式來實(shí)現(xiàn)。
通常說來，電源設(shè)計(jì)人員都具有多年的模擬控制系統(tǒng)工作經(jīng)驗(yàn)。他們?cè)谀M方面的工作經(jīng)驗(yàn)使得其頭腦中形成了模擬設(shè)計(jì)的思維定式，要解決這個(gè)問題，就要讓他們充分了解高集成度數(shù)控可編程電源管理器件的優(yōu)勢(shì)，它們能以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的系統(tǒng)管理。便攜式消費(fèi)類應(yīng)用的印刷電路板面積不斷減小，這推動(dòng)了對(duì)更高集成度的需求。

便攜式消費(fèi)類電子應(yīng)用通常都需要低功耗特性來實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池使用壽命。鋰離子和鋰聚合物電池是目前消費(fèi)類電子應(yīng)用普遍采用的技術(shù)。系統(tǒng)工作電壓最低已降至2.7V，接近電池工作點(diǎn)的極限，可最大化設(shè)備工作時(shí)間。

不過，由于所有電池應(yīng)用基本都面臨電池容量的問題，因此電源管理是所有電子系統(tǒng)必須要解決的內(nèi)在問題。就此而言，為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)樹一幟的系統(tǒng)級(jí)性能，電源管理是不可或缺的環(huán)節(jié)，因?yàn)橹挥型ㄟ^消費(fèi)類電子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，才能將難以預(yù)計(jì)的、有時(shí)甚至是噪聲很大的電源轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、持續(xù)、準(zhǔn)確且獨(dú)立于負(fù)載的電源電壓。

消費(fèi)者希望延長(zhǎng)電池使用壽命，同時(shí)又不致增加尺寸。我們必須在更小的封裝中加入更多的功能，而且功耗還要更低，這凸顯了電源管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性作用。我們之所以在PMIC上集成盡可能多的功能模塊，顯然是為了節(jié)約成本，縮小設(shè)備尺寸，特別是要針對(duì)高銷量的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高度集成技術(shù)。集成技術(shù)可為多種電池供電的手持設(shè)備(如移動(dòng)電話、PDA、MP3播放器及數(shù)碼相機(jī)等)提供單芯片的電源管理解決方案。

新興的PMIC架構(gòu)

PMIC是與應(yīng)用處理器或控制器IC協(xié)同工作的混和信號(hào)配套芯片。應(yīng)用處理器或控制器能夠提供大量的數(shù)字接口及軟件功能，而PMIC則可為相應(yīng)的消費(fèi)類電子應(yīng)用提供配套的供電、電池與復(fù)位管理。PMIC通常包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一些喚醒功能，從而能實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)級(jí)深度休眠狀態(tài)。這些特性可利用主機(jī)控制器通過廉價(jià)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)型I2C串行接口配合一些專用的通用輸入輸出(GPIO)引腳來控制。我們用智能中斷系統(tǒng)向主機(jī)應(yīng)用處理器或控制器發(fā)出有關(guān)眾多電源管理事件的信號(hào)。

在新興的消費(fèi)類電子應(yīng)用中，PMIC通常提供以下功能：

1. 鋰離子和鋰聚合物電池的電池充電和電池管理功能；

2. 電池和系統(tǒng)溫度檢測(cè)；

3. 復(fù)位管理；

4. 多種可編程低壓降穩(wěn)壓器；

5. 可控制低壓系統(tǒng)電路的開關(guān)穩(wěn)壓器；

6. 適用于USB或IEEE1394設(shè)備的一系列DC/DC轉(zhuǎn)換器和控制電路系統(tǒng)；

7. PWM輸出；

8. LED驅(qū)動(dòng)器輸出；

9. 具備告警功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；

10. 通用輸入和輸出均支持系統(tǒng)喚醒；

11. 各種可編程減法計(jì)數(shù)器和加/減法計(jì)數(shù)器；

12. 偽非易失性參數(shù)存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器始終處于工作狀態(tài)，存儲(chǔ)關(guān)鍵的系統(tǒng)信息。

低成本的CMOS工藝

硅芯片工藝技術(shù)對(duì)開發(fā)消費(fèi)類電子市場(chǎng)中的低功耗電子組件發(fā)揮著重要作用。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的高級(jí)模擬和數(shù)字功能時(shí)，上述組件的待機(jī)和工作功耗必須都要很低。傳統(tǒng)的電源管理器件都采用BiCMOS或BiPolar工藝制造，而新型器件則采用標(biāo)準(zhǔn)亞微米CMOS工藝制造。這種發(fā)展趨勢(shì)相當(dāng)重要，因?yàn)镃MOS技術(shù)專為低功耗而優(yōu)化，其適用范圍不斷擴(kuò)廣，這有利于器件小型化，推動(dòng)成本降低并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的功能。

PMIC通常包括電源時(shí)序邏輯單元(PSLU)。PSLU根據(jù)設(shè)計(jì)可控制多種功能以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源管理，如多種電源的上電或斷電特性；電池充電電源；為低壓降穩(wěn)壓器(LDO)生成低噪聲、溫度穩(wěn)定的基線所需要的內(nèi)部電壓參考，以及其它調(diào)節(jié)功能等。

利用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的雙線I2C串行接口可接入設(shè)備控制和配置寄存器。該接口使微處理器能夠完全控制系統(tǒng)電源管理功能，并幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最大化待機(jī)時(shí)間與播放時(shí)間。我們通過中斷信號(hào)和狀態(tài)寄存器來實(shí)現(xiàn)故障報(bào)告功能。

電池充電管理模塊包含內(nèi)部充電控制功能，可實(shí)現(xiàn)單體鋰離子電池的高效充電。該模塊能夠與連接至PMIC器件引腳的外接電源協(xié)同工作，可安全地調(diào)節(jié)近于完全放電的電池，向電池提供用戶可編程的電流，使電池達(dá)到完全充電后的電壓水平。

從封裝的角度看，芯片設(shè)計(jì)人員必須選擇盡可能小的封裝，以節(jié)約板級(jí)空間，努力為最終用戶降低整體生產(chǎn)成本，并使應(yīng)用限制在低于1毫米的z高度內(nèi)，同時(shí)還要避免出現(xiàn)散熱問題。如果需要外部組件對(duì)設(shè)備進(jìn)行類似的控制，那么我們也必須考慮到這些外部組件的z高度問題。