便攜式產(chǎn)品設(shè)計中的熱管理方案

        現(xiàn)今的便攜式產(chǎn)品涵蓋各式各樣的音頻、視頻及無線通信產(chǎn)品，如蘋果公司的iPod MP3播放器、便攜式媒體播放器(PMP)、立體聲藍牙耳機和3G手機。最新的3G手機，除具有通話的基本功能外，還可以瀏覽網(wǎng)頁、發(fā)送電子郵件、拍攝數(shù)碼照片、玩游戲以及播放視頻流。PMP采用大容量硬盤，可以儲存和播放電影、音樂，拍攝和瀏覽照片，錄制/播放電視節(jié)目。PMP日益成為掌上娛樂中心。

圖1：為便攜式媒體播放器(PMP)內(nèi)部功能簡圖。

        為支持不斷增加的功能，PMP電源管理電路變得越來越復(fù)雜。圖1中的電源管理單元包含鋰電池充電、電量監(jiān)測，以及將電池電壓(2.8V-4.2V/節(jié))轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各芯片所需工作電壓的電壓轉(zhuǎn)換器件。電源的轉(zhuǎn)換效率不可能達到100%，在轉(zhuǎn)換過程中必定存在功率損耗，這種損耗的功率被轉(zhuǎn)換為熱量。

        可以采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，電荷泵和基于電感的DC/DC轉(zhuǎn)換器將電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的不同工作電壓。表1列出了三種電壓轉(zhuǎn)換器件的優(yōu)缺點以及產(chǎn)生熱量的大小。表1：三種電壓轉(zhuǎn)換器件

        從表中可以看出，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更低的輸出電壓。在實際應(yīng)用中，其功耗為P = (VIN - VOUT) * IOUT。當(dāng)輸入與輸出電壓相差較大，且輸出電流也大的情況下，LDO本身消耗的功率就非常大，并產(chǎn)生相應(yīng)的熱量。LDO特別適合于低電流，壓差較小，或?qū)﹄娫丛肼曇筝^高的場合。

        電荷泵采用電容來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)反壓、倍壓和穩(wěn)壓等變換，效率為80%左右。受電容容量及尺寸限制，電荷泵輸出電流和電壓都有限。在便攜產(chǎn)品中，電荷泵可用來驅(qū)動并聯(lián)的白光LED，或做為拍照時的閃光燈。

        DC/DC轉(zhuǎn)換器采用低阻抗的開關(guān)(如MOSFET)以及電感等儲能元件，實現(xiàn)降壓和升壓等轉(zhuǎn)換。DC/DC轉(zhuǎn)換器減小了電壓變換過程中的功率損耗，效率高達90%以上。同時開關(guān)頻率很高(可達2 MHz以上)，減小了外部電感和電容的尺寸。合適的DC/DC轉(zhuǎn)換電路在系統(tǒng)中產(chǎn)生最低的熱量。

        便攜產(chǎn)品為便于攜帶，要求外形小，重量輕。產(chǎn)品內(nèi)只有密集封裝的元器件和印制電路板，通常不會使用風(fēng)扇進行通風(fēng)冷卻。系統(tǒng)中電源管理部分和其它功能單元(硬盤和顯示屏等)產(chǎn)生的熱量，對設(shè)計工程師提出新的挑戰(zhàn)。對便攜式設(shè)計中熱管理，應(yīng)采用系統(tǒng)的方法，分析熱量的產(chǎn)生，并從元器件選擇，系統(tǒng)內(nèi)溫度監(jiān)控和熱量管理等方面尋求相應(yīng)的解決方案。以下以PMP為例來探討便攜設(shè)計的熱量管理。

系統(tǒng)熱分析

        PMP采用單節(jié)鋰電池供電，圖2為系統(tǒng)中能量的流動線路圖，紅色箭頭顯示電流的流動方向。從分析可知：鋰電池充電電路、鋰電池、電壓變換器件(LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器)、基于ARM+DSP的處理芯片和硬盤在工作時都消耗電流，并產(chǎn)生功率損耗。可分別計算出這些元器件的功率損耗和產(chǎn)生的熱量。值得注意的是，在充/放電過程中，鋰電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也會產(chǎn)生熱量。

        一旦了解系統(tǒng)中熱量產(chǎn)生的源頭，就可以在電路設(shè)計和元器件選擇上全盤考慮，以優(yōu)化的方案，給系統(tǒng)提供電源管理，同時提供可靠的熱管理。圖3從熱管理的角度，提出Microchip熱管理方案。圖3的方案可分為鋰電池充電及電量監(jiān)測、電壓變換、系統(tǒng)溫度監(jiān)測和熱管理三部分，結(jié)合Microchip鋰電池充電、電量監(jiān)測、LDO及DC/DC轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和低功耗單片機等產(chǎn)品，實現(xiàn)可靠、智能、高效的熱管理。

圖2：系統(tǒng)中能量的流動線路圖。

鋰電池充電及電量監(jiān)測

        PMP中鋰電池采用線性充電，還采用電池電量監(jiān)測芯片，向系統(tǒng)提供精確的容量等信息。這部分電路中的熱量產(chǎn)生源包括：充電過程中線性充電IC的功耗；電流過流保護MOSFET以及充/放電過程中，鋰電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量。MCP73861線性鋰電池充電芯片充分考慮到熱管理方面的需求：

1. 最大1.2A充電電流，根據(jù)電池容量，通過外接電阻來設(shè)置充電電流，減小充電過程的功耗；

2. 外接NTC，實時監(jiān)測電池溫度，當(dāng)電池溫度過高或過低時終止充電，并警告指示；

3. 芯片本身具有熱調(diào)節(jié)功能，當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過155℃，MCP73861自動減小充電電流，避免芯片因過溫而失效；

4. MCP73861采用4x4mm QFN封裝，具有良好的散熱性能。

        PS810為單節(jié)鋰電池電量監(jiān)測芯片，通過SMBus接口與系統(tǒng)通信，提供電池電量及電壓、電流、溫度等信息。

電壓變換

        通過對三種電壓變換器件的分析，在便攜式應(yīng)用中提高電源轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。從熱管理的角度看，盡可能選用集成度較高，封裝散熱效果好的LDO。圖3中TC1302是3x3mm DFN封裝的雙路LDO，具有300mA和150mA輸出電流，適合向CMOS照相模組、RF電路提供低噪聲供電電壓。

        DC/DC轉(zhuǎn)換器因高效而成為便攜電源轉(zhuǎn)換的首選。高集成度的同步降壓或同步升壓器件，提供超過90%的效率。最新的DC/DC轉(zhuǎn)換器在性能提升的同時，也有將DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO、鋰電池充電、電量監(jiān)測、電荷泵等功能單元集成在一個芯片內(nèi)，從而構(gòu)成為一個靈活而復(fù)雜的電源管理單元(PMU)。

圖3：Microchip針對便攜式設(shè)計的熱管理方案。

        圖3中的TC1303是一款高集成電源管理芯片，包含500mA同步降壓變換器，300mA LDO和Power-Good功能。TC1303中的同步降壓變換器，選用低導(dǎo)通電阻MOSFET和2 MHz開關(guān)頻率，最高效率可達95%，同時具有PFM/PWM模式自動切換功能，提高輕負載時的轉(zhuǎn)換效率。TC1303采用3x3mmDFN小封裝，DFN封裝熱阻(JA為41℃/W，具有優(yōu)異的散熱性能。

系統(tǒng)溫度監(jiān)測

        整個系統(tǒng)中的芯片和模塊，特別是CPU/DSP、FPGA或硬盤等關(guān)鍵器件，在工作時會產(chǎn)生熱量。系統(tǒng)過熱，會降低芯片的性能，甚至導(dǎo)致故障。對整個系統(tǒng)各部分溫度進行監(jiān)測，從而能夠了解其局部的溫度變化，在溫度過高或過熱時給使用者提示或警告。在圖3所示方案中，電量監(jiān)測芯片PS810能夠提供實時電池溫度信息。對CPU/DSP、FPGA或硬盤等器件，則可考慮增加溫度傳感器。硅芯片式溫度傳感器(MCP9700或MCP9801)安裝在系統(tǒng)PCB上，或置于CPU/DSP、FPGA或硬盤附近，將溫度轉(zhuǎn)換為線性輸出的電壓；也可直接轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，通過I2C(tm)接口送到MCU處理。

        雖然CPU/DSP功能非常強大，但是不斷增加的功能和音/視編解碼運算，使CPU/DSP負荷過重，甚至超載。選擇低功耗和少引腳的MCU，將電源管理和熱管理功能交給MCU處理：控制充電和每路電源的開/關(guān)，通過散布在系統(tǒng)各部分的溫度傳感器來監(jiān)測系統(tǒng)溫度，利用I2C/SMBus等接口與電量監(jiān)測芯片和核心處理器進行通信，實現(xiàn)智能和動態(tài)的電源管理。

本文小結(jié)

        本文從系統(tǒng)電源管理的角度，分析便攜式設(shè)計中熱量的產(chǎn)生、元件的選擇以及方案的整體考慮，并結(jié)合PMP設(shè)計實例，介紹Microchip提供的電源管理及熱管理方案。在實際設(shè)計中，還需要在元件布局、PCB布線等方面著重考慮，甚至借助熱模型和熱仿真分析軟件，以實現(xiàn)產(chǎn)品的最佳熱設(shè)計。