利用电源管理IC应对便携式设计功耗挑战

John Mayer

尽管手机设计人员不断地将语音、相机、GPS及其他功能集成在一个不超过半英寸厚的外壳中，便携式媒体播放器设计者将微控制器、硬驱和音频电路等整合在口袋大小的封装中，但是便携式设计集成多种功能的压力仍然巨大。

过去数年间，功率半导体制造商推出了大量电源管理IC(PMIC)，专门用于把便携式消费电子系统中的主要功能集中在单芯片中。这些芯片一般集成有一个电池充电器、一或多个降压转换器，有时候还有多个低压降调节器(LDO)，用以处理当前日益纤巧化的消费电子设备中的各种功率功能。

鉴于“移动”计算的要求，PMIC中的大部分充电电路都同时支持USB充电和交流适配器电源充电。然而，USB端口上的功率环境的高度动态特性带来了一些独特的问题。

为了确保USB端口的完整性，大部分充电电路都包含了端口保护机制。厂商一般提供两个充电级别，虽然也可以由设计人员利用外部置位电阻来设定，但通常在工厂就已预设好。按照USB标准规定，较高一级支持最大500毫安的负载，较低的第二级则常常设置在100mA。

当端口源电流不足以满足500mA级的要求时，系统微控制器就命令系统采用较低的充电级，以保证USB端口不会超载。这种两级方案尽管可保护端口，但也可能无谓地延长了电池充电时间。

某些PMIC厂商目前利用嵌入式智能电路提高快速充电周期的效率，以此来解决这一问题。这些电路不断监控USB端口上的电压。当功率被拉离端口转而执行其他系统任务，同时端口不再提供满500mA电流时，电路以离散步长动态向下调节快速充电电流，直到USB端口上的电压下降到可用功率以下。一般采用一个反馈环路来补偿电压下降，以完成部件的调节。

轻载效率

大多数用于便携式消费应用产品的新型PMIC都包括一个或多个步降DC/DC转换器，以驱动系统微控制器、内存、硬驱及其他I/O设备。由于这些系统中的锂离子电池提供的电压平均为3.6V，而且大部分内核微控制器都是设计来工作在十分低的电压之下的，故设计人员必须尽可能高效地步降工作电压，以尽量延长两次充电之间的运行时间。轻载条件下转换器效率的重要性有时容易被忽略掉。由于便携式设备一般大部分时间都处于待机模式和突发激活使用模式下，故大多数系统要求转换器能够在两种使用情况下都能以高效率提供功率。



图1：Maxim的 MAX8662/3部件在一块单芯片上集成了1个USB/AC 充电器、2个步降DC/DC 转换器，4个LDO和1个步升DC/DC 转换器，是便携式系统功率集成的典型范例。

对大多数DC/DC转换器，当电流小于100mA时，效率曲线出现急剧下降。许多PMIC制造商现在提供能够同时工作在固定和可变频率模式下的转换器，以便在所有负载条件下都可以使效率最大化。此外，系统设计人员还可以通过选择最适合自己应用的DC/DC转换器来解决这个问题。

转换器的开关频率也是一个主要考虑因素。对于大多数便携式消费产品而言，电路板占位空间很有限，每一毫米都不能浪费。工作时开关频率较高的降压转换器可以结合外形尺寸较小的外部元件一起工作。

射频或音频类型的电路，比如无线发射器、接收器或麦克风，对电源的要求又大为不同。在这些领域，要防止噪声传播造成性能下降，高度隔离和低噪电源是至关重要的。例如，在设计蓝牙耳机的麦克风拾音器电路时，就需要出色的低噪性能和高级别的输入输出隔离。

虽然线性电压调节器的效率比开关DC/DC转换器的要低得多，但它们卓越的低噪特性使其成为RF和音频应用中不可或缺的部件。这类电路的电流消耗一般相当低，故对系统范围功率效率的影响通常都极小。

在选择片上集成了低压降调节器的PMIC时，有必要考虑LDO是否能提供快速瞬态响应及支持快速启动。电容兼容性也是一个问题：调节器可以采用成本较低的低ESR陶瓷电容器吗？若可以，它会妨碍设计人员在需要时采用其他类型的电容吗？

一些PMIC厂商在单芯片中集成了大量的功能。例如，Maxim公司的MAX8662集成了1个USB/AC充电器和2个步降DC/DC转换器、4个LDO及1个步升转换器，可支持多达7个WLED或OLED显示器。2个步降转换器可用来支持1.2A和900mA的一系列负载。对于噪声敏感的电路，4个LDO支持150mA 到 500mA的全线范围负载。

在同一领域，国家半导体公司推出的LP3910整合了1个双源锂离子电池充电器、2个可动态调节电压的降压转换器、1个宽负载范围的带有可编程输出的降升转换器，以及1个用于电池使用管理的4路8位A/D转换器，可支持高性能媒体播放器及其他手持式设计。

其他厂商则秉持“寓丰富于简洁”的理念。Linear公司的理念是，在不降低性能或延长设计周期的前提下集成更多的功能。“我们的一些客户表示，他们不得不浪费更多的设计时间来关闭部分PMIC中用不着的东西，只为了确保那些没有用的功能不会干扰到有用的功能，”Linear公司的功率市场经理Tony Armstrong称。“我们不希望把部件搞得太复杂，使它变成一个设计和版图的噩梦。”

Linear公司的高集成度PMIC-LTC3555，采用4mm x 5mm QFN封装，集成了该公司的专利技术PowerPath管理电路和USB/AC充电器；3个同步降压转换器，能够分别提供1A、400mA和400mA的输出电流，以及1个LDO。该器件瞄准基于硬盘驱动器的MP3 播放器、PDA、GPS设备及其他手持式应用产品。

当然，理想上消费电子系统设计人员希望找到能够满足自己应用要求的最佳PMIC，包括占位面积和热限制方面。过去一年间，功率半导体制造商不断推出专门瞄准特定应用的范围更广泛的产品，以期简化这一任务。

Advanced Analogic Technologies的AAT2554就是一个佐证。AAT2554是AnalogicTech的SystemPower系列中的一款产品，其功能集瞄准更低功率应用，比如蓝牙耳机、电表及其他超便携式设备。这款PMIC采用16脚TDFN封装，整合了1个500mA的电池充电器、1个250mA的步降转换器和1个300mA的LDO。另一款同系列器件AAT2550采用4x4mm QFN封装，集成了1个电池充电器和2个600mA的步降转换器，可支持更高性能的MP3播放器、智能电话及其他便携式设备的设计。

类似地，德州仪器的bq25015 和 bq25017在单芯片上带有1个USB/AC充电器电路和1个300mA的转换器，瞄准的是空间受限的蓝牙应用产品。而且，Linear最近新推出一款更简单的PMIC，LTC3559，它在3 x 3-mm 的QFN封装中集成了1个充电器和2个降压转换器，适合于基于RAM的MP3或其他更简单的手持式设计。

鉴于目前市场上对更小外形尺寸的需求，散热一直是一个令人头痛的问题。大多数设计都无法添加散热器，更遑论风扇。“把三个功耗相当高的功能模块集成在一起的挑战之一是，它们可能产生更多的热量，超出了封装能够处理的范围。”AnalogicTech公司产品线主管Bill Weiss表示。

为了防止过热影响到降压转换器的性能或造成处理器的中断，AnalogicTech的PMIC增加了一个数字热控环路，其可以感测IC是否达到某个温度阈值，并自动减小充电电流，以降低功耗。

来源：嵌入式在线