面向新式 uP 的高性能、高集成度電源 IC ：打入工

背景

飛思卡爾、邁威爾、ARM 和其它半導體廠(chǎng)商設計的高電源效率微處理器 (uP/CPU) 系列在日益擴充，目的是為多種無(wú)線(xiàn)、嵌入式和網(wǎng)絡(luò )應用提供低功耗和高性能的處理能力。這些微處理器產(chǎn)品開(kāi)始時(shí)的設計意圖是幫助消費電子產(chǎn)品 OEM 開(kāi)發(fā)電池壽命更長(cháng)、體積更小和更經(jīng)濟實(shí)惠的便攜式手持設備，同時(shí)提供增強的處理性能，以運行功能豐富的多媒體消費類(lèi)應用。

要實(shí)現更高的處理能力同時(shí)又不提高系統功耗，需要在電流日益提高的同時(shí)以更低的電壓工作?；蛘哂捎趹玫男枰?，或者由于工藝技術(shù)的線(xiàn)寬，便攜式和嵌入式系統都含有各種為以不同電壓工作而優(yōu)化的組件。最終結果是，采用最新“便攜式”處理器的系統需要大量大電流、低壓軌，典型情況為 1.8V 或更低。除了無(wú)數的低壓軌，這些應用中很多還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，以給大型便攜式硬盤(pán)驅動(dòng)器、存儲器、面向外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在嵌入式應用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型 DC/DC 或 LDO 產(chǎn)生。

近來(lái)，這種同時(shí)要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴展到了工業(yè)和醫療便攜式應用。作為最新和功能豐富的高端消費類(lèi)便攜式設備，手持式數據收集設備、堅固耐用的庫存控制和跟蹤設備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式 EKG 設備以及其它便攜式醫療設備，都需要類(lèi)似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設備必須堅固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜” 的。不過(guò)，在所有情況下，不管是什么應用，要正確控制和監視微處理器的電源系統，并確保用這些處理器可能實(shí)現的所有效率優(yōu)勢，必需有一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)的、高性能電源管理伴隨 IC。

就便攜式應用而言，主電源一般是大型單節鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產(chǎn)品中 3.3V 系統電源的電壓。諸如手持式終端、條碼掃描儀、RFID 閱讀器等應用需要一個(gè)降壓-升壓型電源以產(chǎn)生 3.3V 軌。不管這類(lèi)“便攜式”處理器系統是否是電池供電的，伴隨它們而來(lái)的其它復雜性包括：需要以特定順序對所有電源的接通和斷開(kāi)排序；視系統處理需求的不同而不同，要能夠動(dòng)態(tài)地調高和調低電源電壓。就系統設計師而言，滿(mǎn)足所有微處理器和有關(guān)應用的電源需求的單個(gè)集成式解決方案極其有利。要在多種應用中滿(mǎn)足這些需求，就需要一個(gè)高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

降壓-升壓功能的設計挑戰

今天功能豐富的新式電子系統大多數仍然需要 +3V 范圍內的電壓軌，例如，給汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中的 I/O 或者外部設備軌供電。在電源管理 IC (PMIC) 中集成同步降壓-升壓開(kāi)關(guān)功能后，允許跨 2.7V 至 5.5V 的整個(gè)輸入電壓范圍以高效率實(shí)現 3.3V 調節，從而產(chǎn)生更高的工作裕度。不過(guò)，以降壓-升壓設計實(shí)現高效率比簡(jiǎn)單的降壓型 DC-DC 轉換器挑戰性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負載階躍瞬態(tài)響應時(shí)，更是這樣。

減少熱量，優(yōu)化系統效率

很多任務(wù)業(yè)標準 PMIC 都帶有各種內置的線(xiàn)性穩壓器。不過(guò)，如果沒(méi)有用足夠的銅走線(xiàn)布線(xiàn)、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行正確管理，那么線(xiàn)性穩壓器可能在 PC 板上產(chǎn)生局部的熱量“熱點(diǎn)”?；蛘?，當輸入和輸出電壓之差很大，和/或如果輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內置低壓 uP 和具功能豐富的器件中，開(kāi)關(guān)穩壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開(kāi)關(guān)模式的電源越來(lái)越重要了。不過(guò)，LDO 提供低噪聲輸出和很高的 PSRR 性能，因此，必須評估這兩種權衡之策。在很多情況下，恰當的 IC 分區包括兩種類(lèi)型的穩壓器。

今天，幾乎所有應用都對系統中的熱量很敏感。隨著(zhù)處理性能和有關(guān)工作電流的上升，用開(kāi)關(guān)穩壓器取代 LDO 變得越來(lái)越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因為單個(gè) IC 散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執行的處理操作的不同而不同，實(shí)現最佳功耗需要對很多內核處理軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節。要以較高的時(shí)鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類(lèi)似地，就處理任務(wù)不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要動(dòng)態(tài)調節處理器電壓源需要諸如 I2C 這樣的串行端口來(lái)通報所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過(guò)，利用這種功能需要一個(gè)同樣靈活和可編程的電源解決方案。

便攜式醫療和工業(yè)儀器中的電源管理問(wèn)題

如同其它很多應用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫療儀器出現了快速增長(cháng)。不過(guò)，與其它很多應用不同，便攜式醫療產(chǎn)品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運行時(shí)間和堅固性標準。這種負擔大部分落在了電源系統及其組件上。醫療產(chǎn)品必須正確工作，而且視設計和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無(wú)縫切換。必須竭盡全力保護設備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時(shí)最大限度地延長(cháng)工作時(shí)間，并確保無(wú)論何時(shí)，只要有效電源存在，就能可靠運行。此外，功率值隨著(zhù)功能和有關(guān)電壓軌數量的增加而增加。除了遙遠地區應用所需維護要少、能承受極端的溫度變化以及受到機械振動(dòng)或沖擊時(shí)不會(huì )損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設備與醫療設備有很多相同的要求。

總之，系統設計師面臨的主要挑戰包括：
• 集成降壓-升壓型穩壓器
• 在功耗與多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器及 LDO 的高集成度之間權衡
• 集成動(dòng)態(tài) I2C 控制
• 工業(yè)和醫療設備系統的可靠性和堅固性要求
• 解決方案尺寸和占板面積

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

過(guò)去的工業(yè) PMIC 沒(méi)有足夠的功率來(lái)應對這些新式系統和微處理器。滿(mǎn)足上述電源管理 IC 設計限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開(kāi)關(guān)穩壓器和 LDO；以諸如降壓-升壓型穩壓器等難以使用的功能構件對關(guān)鍵參數進(jìn)行動(dòng)態(tài) I2C 控制。此外，一個(gè)具有高開(kāi)關(guān)頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。

LTC3589 － 面向新式處理器的大功率 PMIC

LTC®3589 是一個(gè)完整的電源管理解決方案，面向基于 ARM 的處理器和先進(jìn)的便攜式微處理器系統。該器件含有：3 個(gè)同步降壓型 DC/DC 轉換器，分別用于內核、存儲器和 SoC 軌；一個(gè)同步降壓-升壓型穩壓器，用于 2.5V 至 5V 的 I/O；3 個(gè) 250mA 的 LDO 穩壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C 串行端口用來(lái)控制穩壓器啟動(dòng)、輸出電壓值、動(dòng)態(tài)電壓調節和轉換率、工作模式以及狀態(tài)報告。以所希望的順序將穩壓器輸出連接到使能引腳或通過(guò) I2C 端口，可對穩壓器啟動(dòng)排序。通過(guò)一個(gè)按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口，可控制系統的加電、斷電及復位功能。電壓監視器和有源放電電路可在下一個(gè)使能序列之前確保一個(gè)干凈的斷電，另外，選定的穩壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如存儲器，當其必須在停機模式中保持運行時(shí))。LTC3589 以 8 個(gè)獨立軌、恰當的功率值、動(dòng)態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其它特點(diǎn)包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號，該引腳同時(shí)在多達 4 個(gè)軌上、于設定的運行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露焊盤(pán) QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 的簡(jiǎn)化方框圖