用于移動(dòng)微處理器的高性能、集成化電源IC：并非僅適合便攜式設備

　　背景

　　飛思卡爾 (Freescale)、英特爾 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微處理器，此類(lèi)仍在不斷發(fā)展壯大的微處理器專(zhuān)為給眾多無(wú)線(xiàn)、嵌入式和網(wǎng)絡(luò )應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設備制造商 (OEM) 能夠開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長(cháng)電池使用壽命的便攜手持式設備，同時(shí)提供增強型處理性能以運行多功能多媒體應用程序。近來(lái)，對這種高效率和處理性能組合的需求也擴展到了非便攜式應用領(lǐng)域。汽車(chē)信息娛樂(lè )系統和其他嵌入式應用所要求的效率和處理能力水平與最新的高端便攜式設備相似。然而在所有的場(chǎng)合中，為了正確地控制和監視微處理器的電源系統、并確保利用這些處理器有可能獲得的所有效率提升均能夠實(shí)現，高度專(zhuān)用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的，這與應用無(wú)關(guān)。

　　要想在不增加系統功耗的情況下實(shí)現較高的處理能力，就必需在電流不斷增大的條件下降低工作電壓。便攜式和嵌入式系統均包括多種專(zhuān)為在不同的電壓條件下運作 (由于應用的需要或者加工工藝線(xiàn)寬的原因) 而優(yōu)化的元件。最終的結果是：采用最新“便攜式”處理器的系統將需要許多大電流、低電壓軌 —— 通常為 1.8V 或更低。除了大量的低電壓軌之外，很多此類(lèi)應用還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，用于給大型便攜式硬盤(pán)驅動(dòng)器、存儲器和外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在汽車(chē)或嵌入式應用中，所有與處理器直接相連的電源電壓均可采用高效率降壓型 DC-DC 或 LDO 來(lái)產(chǎn)生 (視電流要求而定)。

　　就便攜式應用而言，主電源通常是一個(gè)大的單節鋰離子/鋰聚合物電池，它可以具有一個(gè)高于或低于產(chǎn)品中的 3.3V 系統電源的電壓。此類(lèi)應用 (例如：手持終端、條形碼掃描儀、RFID 閱讀器等) 需要一個(gè)降壓-升壓型電源以產(chǎn)生 3.3V 電壓軌。這些“便攜式”處理器系統 (不管是否采用電池供電) 的額外復雜性包括：必需以某種特定的次序對所有電源的接通和關(guān)斷操作進(jìn)行排序，而且要能夠根據系統的處理要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行電源電壓的上升/下降調節。對系統設計師而言，由單個(gè)集成化解決方案來(lái)滿(mǎn)足所有微處理器及相關(guān)應用電路的電源需要是一項巨大的優(yōu)勢。如欲在眾多的應用中處理這些要求，則需要一款高度靈活、可編程和高效的多輸出電源解決方案。

　　設計挑戰

　　降壓-升壓能力

　　當今的大多數新式多功能電子系統仍然需要 +3V 范圍的電壓軌，例如：用于給汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中的 I/O 或某個(gè)外設電壓軌供電。把同步降壓-升壓開(kāi)關(guān)操作功能集成到電源管理 IC (PMIC) 之中將在整個(gè)輸入電壓范圍內 (2.7V 至 5.5V) 實(shí)現 3.3V 穩壓和高效率，從而增加操作裕度。然而，相比于簡(jiǎn)單的降壓型 DC-DC 轉換器，采用降壓-升壓型設計來(lái)實(shí)現高效率所面臨的挑戰要大得多，特別是在要求低噪聲和上佳負載階躍瞬態(tài)響應的場(chǎng)合。

　　作為許多汽車(chē)電源的起點(diǎn)，12V 汽車(chē)電池與這些系統所需要的低噪聲、穩定電源相去甚遠。除了噪聲以外，這種 12V“電源”還會(huì )受到反向電池情況或負載突降的影響，在這些場(chǎng)合中電壓有可能在 -36V 至 80V 的范圍內變化，甚至出現尖峰。適合這些系統的理想電源必須保護其自身和應用電路免遭上述苛刻電氣條件的損壞，同時(shí)提供穩定的低噪聲輸出電壓。汽車(chē)環(huán)境中的散熱條件同樣具有挑戰性；即使在 85°C 的環(huán)境溫度下，PMIC 的結溫也有可能接近 125°C，因而要求 -40°C 至 +125°C 結溫范圍內的電源穩定性和堅固的過(guò)熱保護功能。鑒于這些嚴酷的條件，通常在給 PMIC 供電之前將該系統/電池電壓預先調節至 3.3V 或 5V。在許多場(chǎng)合中，這些中間電源會(huì )由于冷車(chē)發(fā)動(dòng)和嚴重噪聲瞬變的原因而遭到毀壞。降壓-升壓型電源在這里同樣具有優(yōu)勢，可確保與處理器系統相關(guān)聯(lián)的 3.3V 關(guān)鍵電壓軌不會(huì )觸發(fā)上電復位。

　　減少熱量，優(yōu)化系統效率

　　許多業(yè)界標準 PMIC 都具有多種內置線(xiàn)性穩壓器。不過(guò)，如果未借助充足的銅走線(xiàn)排布、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流水平進(jìn)行正確的管理，則線(xiàn)性穩壓器有可能在 PC 板自身上產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”。另一方面，當輸入和輸出電壓的差異很大和/或輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器則提供了一種更加有效的降壓方法。在現今具有內置低電壓微處理器的多功能設備中，PMIC的使用很普遍。因此，實(shí)現針對大多數電壓軌的開(kāi)關(guān)模式電源的必要性正日益提高。然而，LDO 卻提供了低噪聲輸出和卓越的電源抑制比 (PSRR) 性能，所以必須對權衡結果進(jìn)行評估。在許多情況下，正確的 IC 使用分配包括 DC/DC 和線(xiàn)性穩壓器。

　　事實(shí)上，如今所有的應用對系統中的熱量均很敏感。隨著(zhù)處理性能和相關(guān)工作電流的提升，使用開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)替代 LDO 變得越來(lái)越重要。在高集成度電源中情況尤其如此，因為單通道 IC 在其功率耗散能力方面受到限制。此外，實(shí)現最佳功率耗散還要求許多內核處理電壓軌根據所執行的處理操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節。較高的電源電壓是實(shí)現較高時(shí)鐘速率操作所必需的。同樣，對于處理密集性不太高的操作模式，非常低的電壓就足夠了。由于對應的電源電流往往會(huì )跟蹤輸入電源電壓，因此以盡可能低的電源電壓來(lái)運作處理器是最理想的。處理器電壓電源的動(dòng)態(tài)調節需要一個(gè)串行端口 (例如：I2C) 以傳遞變化。實(shí)際上，目前所有的高端便攜式處理器均支持該功能 —— 不過(guò)，要想利用它還需要一種同樣靈活和可編程的電源解決方案。

　　概括起來(lái)，系統設計師所面臨的主要挑戰包括：

• 　　降壓-升壓型穩壓器的集成
• 　　在功率耗散和高集成度 (整合多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器和 LDO) 之間實(shí)現平衡
• 　　汽車(chē)系統的電壓瞬變和極端溫度
• 　　集成動(dòng)態(tài) I2C 控制
• 　　解決方案外形尺寸和占板面積

　　一款簡(jiǎn)單的解決方案

　　過(guò)去，PMIC 不具備處理這些新式系統和微處理器所需的足夠功率。旨在滿(mǎn)足上述電源管理 IC 設計約束條件的任何解決方案都必須擁有高集成度，內置大電流開(kāi)關(guān)穩壓器和 LDO、主要參數的動(dòng)態(tài) I2C 控制電路、以及諸如降壓-升壓型穩壓器等“難以完成的”功能電路模塊。此外，具高開(kāi)關(guān)頻率的器件還可縮減外部元件的尺寸，而陶瓷電容器則能減小輸出紋波。這樣的一款 IC 還必須適合苛刻的汽車(chē)環(huán)境，盡管輸入電壓通常取自經(jīng)過(guò)預先調節的系統或電池電壓。

　　一款適合當今 Xscale 和 ARM 處理器的高功率 PMIC

　　LTC3589 是一款適合 ARM 處理器和先進(jìn)便攜式微處理器系統的完整電源管理解決方案。該器件包含 3 個(gè)用于內核、存儲器和片上系統 (SoC) 電壓軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器、1 個(gè)用于 2.5V 至 5V I/O 的同步降壓-升壓型穩壓器、以及 3 個(gè)用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩壓器。一個(gè) I2C 串行端口用于控制穩壓器啟用、輸出電壓電平、動(dòng)態(tài)電壓調節和轉換速率、操作模式和狀態(tài)報告。穩壓器啟動(dòng)操作的排序通過(guò)以期望的次序將穩壓器輸出連接至啟用引腳或通過(guò) I2C 端口來(lái)完成。系統上電、斷電和復位功能受控于一個(gè)按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監視器和有源放電電路保證在下一個(gè)啟用序列之前完成一個(gè)干凈的斷電操作，而且，當系統必須在待機模式中保持運行狀態(tài)時(shí)，選定的穩壓器可以免除電源的按鈕控制 (比如：存儲器)。LTC3589 支持 i.MX, PXA 和 OMAP 處理器，具有8 個(gè)位于合適功率電平的獨立電壓軌以及動(dòng)態(tài)控制和排序功能。其他特點(diǎn)包括接口信號，例如：同時(shí)在多達 4 個(gè)電壓軌上進(jìn)行編程運行與待機輸出電壓之間變換的 VSTB 引腳。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露襯墊 QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 簡(jiǎn)化方框圖

　　高集成度 —— 支持多個(gè)高功率電壓軌

　　LTC3589 是一款適合便攜式微處理器和外設的完整電源管理解決方案。它總共產(chǎn)生了 8 個(gè)電壓軌，用于給處理器內核、SDRAM、系統存儲器、PC 卡、始終保持接通的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD) 功能部件供電。負責給電壓軌供電的是一個(gè)始終保持接通的低靜態(tài)電流 25mA LDO、一個(gè) 1.6A 和兩個(gè) 1A 降壓型穩壓器、一個(gè) 1.2A 降壓-升壓型穩壓器和三個(gè) 250mA 低壓差線(xiàn)性穩壓器。為多個(gè)穩壓器提供支持的是一種高度可配置的電源排序功能、動(dòng)態(tài)電壓轉換 DAC 輸出電壓控制、一