便攜媒體播放器的電源管理分組技術(shù)

最新的市場(chǎng)統計數據顯示，便攜式媒體播放器是目前發(fā)展最快的便攜式消費類(lèi)電子終端設備。消費者希望在路上也能聆聽(tīng)他們喜愛(ài)的音樂(lè )，欣賞視頻剪輯甚至電影。不過(guò)，消費者還希望獲得更多功能。即將推出的媒體播放器將集成 GPS 功能和音視頻廣播接收功能。

越來(lái)越多的器件功能對設計工程師提出了一些重大的技術(shù)挑戰。媒體播放器需要存儲并快速處理海量數據，提供高質(zhì)量的音視頻重現功能。因此，電源管理已成為能否提供更長(cháng)工作和待機時(shí)間的重要因素，關(guān)系到一種產(chǎn)品的商業(yè)成敗。

我們不妨來(lái)了解一下現代模擬電源管理系統的特性、性能折衷策略以及分組技術(shù)，該系統不僅能確保電池充電快速、安全，而且還可為便攜式媒體播放器的所有系統組件高效供電。

設計挑戰

不斷發(fā)展的消費者需求對技術(shù)提出了新的挑戰。音頻/視頻播放、游戲及全球定位系統 (GPS) 等功能都需要高效使用電池電量。設計時(shí)尚、小巧、用戶(hù)友好型器件要求采用極微小的集成電子與機械組件。

為了盡可能延長(cháng)工作時(shí)間，設計人員必須正確選擇電池的化學(xué)特性與容量。精確的電池電量監測有助于避免系統過(guò)早關(guān)閉，并使系統充分利用電池可用電量。正確選擇功率轉換電路也決定著(zhù)電池為系統供電的效率。

器件有著(zhù)嚴格的尺寸要求，因此設計人員應在小而薄的封裝中采用集成元件，確保良好的功耗性能。雖然現代電源 IC 能在同一器件上集成數個(gè)電源通道，但我們必須了解系統的電源分組，以避免過(guò)度集成。在復雜的電子系統中，如果所有供電元件都集中在相同的位置，這樣會(huì )造成電源管理設備到實(shí)際負載點(diǎn)的線(xiàn)跡過(guò)長(cháng)，從而會(huì )導致噪聲和散熱問(wèn)題，進(jìn)而延長(cháng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

創(chuàng )新型解決方案

處理設備居于便攜式媒體播放器(圖1)的核心地位，它通常結合了微控制器和數字信號處理內核，負責處理不同來(lái)源的音頻和視頻數據，并管理用戶(hù)界面。高質(zhì)量音頻編解碼器確保對聲音信息的適當編碼和重現。視頻編碼器使便攜式媒體播放器能連接到外部監視器或電視機，適合大屏幕觀(guān)賞。顯示設備主要是彩色薄膜晶體管 (TFT) LCD 模塊，LCD 模塊通常包括行列視頻驅動(dòng)器和實(shí)現背光功能的白光 LED 電源。

GPS 芯片組使播放器能用作便攜式 GPS 導航系統，而 FM 調諧器 IC 則能接收無(wú)線(xiàn)電廣播。

便攜式媒體播放器需要幾種類(lèi)型的存儲設備和處理內存。處理器通常與閃存存儲器協(xié)同工作，并利用 EEPROM 存儲配置數據和操作系統。音頻和視頻數據可存儲在 SD 卡等移動(dòng)存儲介質(zhì)上，而內置硬盤(pán)驅動(dòng)器通?？纱鎯^大的數據資料。

處理器、存儲器和led/' target='_blank'>顯示屏構成整體系統，需要不同的電壓軌和大量電力。我們必須高效管理電池，實(shí)現高效充電，盡可能提高電池到系統的電壓轉換效率。電池通常是一節鋰離子電池，電池容量根據整體用電需求在 1200 至 2000mAh 之間，充電電流應高于 1A。鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器能安全準確地給電池再充電，而精確的電池電量監測設備可確定充電狀態(tài)，并有助于系統最大限度利用任何可用電量。

數個(gè)電源轉換器將電池電壓轉換為系統電壓。3.3 V 的高電流電源軌可用于對帶有顯示控制器與背光功能的TFT LCD顯示模塊、高量漏極(HDD)、處理器 I/O 以及音頻編解碼器供電。處理引擎要求的內核電壓相對較低，1.2 或 1.8 V 即可。音頻與 RF 組件電源可能需要用線(xiàn)性穩壓器來(lái)實(shí)現穩壓輸出，以便濾掉開(kāi)關(guān)轉換器紋波。

我們有必要更密切地關(guān)注一下電源管理系統的分組。通常人們會(huì )認為，與數字組件類(lèi)似，電源系統也應盡可能集成。但這會(huì )帶來(lái)嚴重的問(wèn)題。如果將線(xiàn)性電池充電器與功率轉換級集成，就會(huì )在集成度極高的板級空間造成散熱問(wèn)題。此外，電池充電器通?？拷姵嘏c AC 適配器的連接處，而功率轉換級的理想位置是接近負載點(diǎn)，即處理系統。還有一點(diǎn)值得注意的是，不同型號的媒體播放器根據用途不同要求不同的充電器特性，但功率轉換系統都是一樣的。鑒于上述原因，最節約成本、設計也最方便的解決方案就是將電池管理與功率轉換分由不同的IC來(lái)完成，如圖 1 所示。這不僅有助于最大化設計靈活性，簡(jiǎn)化布局與散熱管理，而且還能夠降低解決方案的總成本。

為了維護安全工作條件并最大化電池工作時(shí)間，電池充電器應確保鋰離子電池的充電過(guò)程符合制造商的規范。要實(shí)現這一目標，就要采用恒流恒壓 (CCCV) 的充電方案，并確保穩壓精度小于 1% ，以避免出現過(guò)度充電。我們應識別出剩余電量極低的電池，先以一定比例的最大充電速度給它充電，慢慢提高電池電壓，然后再進(jìn)入快速充電模式。此外，充電器應通過(guò)專(zhuān)門(mén)的溫度傳感引腳 (TS) 測量電池的溫度，避免在 0 ℃～40℃ 范圍之外進(jìn)行充電，從而盡可能延長(cháng)電池的工作時(shí)間。

不管電源來(lái)自 USB 端口還是 AC/DC 墻上適配器，充電器都應對充電工作加以管理。就某些應用而言，充電 IC 的電力來(lái)自高壓前端 DC/DC，電池可直接從高壓電源進(jìn)行充電，如轎車(chē)或卡車(chē)所用的電池就是這種情況。輸入引腳上的額定輸入電壓最大可達 18 V，這不僅能避免系統在DC 電源線(xiàn)路上出現過(guò)壓峰值，而且還能使用價(jià)格較低的非穩壓墻上電源。充電 IC 可以確定進(jìn)入電池的實(shí)際充電電流和系統所用的電流。因此，電池充電和系統運行同時(shí)進(jìn)行的情況下，充電過(guò)程也不會(huì )出現非正常終止問(wèn)題。上述解決方案實(shí)現了動(dòng)態(tài)的電源管理，在系統和電池間合理分配可用的 DC 輸入功率。如果系統電流上升，電池充電電流會(huì )自動(dòng)降低，反之亦然，從而滿(mǎn)足整體供電量的要求。這有助于優(yōu)化成本，使墻上電源也能滿(mǎn)足系統整體的平均用電需要，兼顧電池充電和應用運行，而不是必需采用滿(mǎn)足最嚴格用電條件的電源。

我們在微型的 3.5mm x 4.5mm QFN 封裝中集成了所有必需的充電控制和電源通道電源晶體管，從而使解決方案的整體尺寸達到了最小化。此外，我們還可使媒體播放器系統在電池充電器給電池充電的同時(shí)實(shí)現睡眠模式下工作。充電器將根據檢測到的最小電流終止充電，并提供可編程定時(shí)器，進(jìn)一步提高安全性。

我們可用電池電量監測計來(lái)精確測定剩余電池電量，從而進(jìn)一步改善電池管理。這樣，處理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充電時(shí)提醒用戶(hù)，從而更好地管理媒體播放器的功耗。

媒體播放器的功率轉換主要是通過(guò)轉換 DC 穩壓器來(lái)實(shí)現功率效率最大化。我們認為，就穩壓工作而言，線(xiàn)性穩壓器解決方案具有體積小和成本低等優(yōu)勢。這種解決方案成本較低，對低電流和低穩壓差分而言效率也比較高，但如果電流超過(guò)300mA 到 400mA 的話(huà)，就會(huì )因為功耗太高而需要占地很大且價(jià)格昂貴的散熱片。如果輸出電流較高且輸入至輸出的電壓差分很大，就會(huì )發(fā)生此類(lèi)問(wèn)題。假設我們用 3.6 V 的鋰離子電池提供 1.2 V 的內核電壓，線(xiàn)性穩壓器這時(shí)的工作效率只有 33%，電池電力大部分都變成散熱消耗掉了。DC/DC 轉換器的工作效率實(shí)際高達 90% 以上，其功耗僅為低降壓穩壓器 (LDO)消耗的一小部分。

圖 3 給出了同一 IC 封裝中采用幾個(gè)電源轉換器的高效集成式功率轉換機制實(shí)例。為使處理引擎采用低壓內核電源，主系統電壓為 3.3 V，我們采用帶 FET 的全集成同步 DC/DC 降壓轉換器來(lái)實(shí)現最大功率效率，并盡可能減少外部組件數。采用該解決方案時(shí)，無(wú)需使用占地較大的散熱片。相對 DC/DC 控制器解決方案而言，全集成的 DC/DC 轉換器采用片上轉換 FET 并實(shí)現內部補償機制。這就是說(shuō)，設計工程師不必選擇外部晶體管，也不必采用昂貴而難用的設計軟件來(lái)分析補償與穩定條件。組件選擇非常方便，我們只需根據數據表單，采用推薦的電感器即可。

最多4個(gè)線(xiàn)性穩壓器為音頻、RF 及其他子組件提供低電流輔助電源，這有助于減少