復雜的移動(dòng)終端產(chǎn)品系統級電源管理設計方法

　　引言：要想繼續保持較長(cháng)的電池壽命，就必須改善設備的電源管理設計，更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項技術(shù)中，同時(shí)又不犧牲技術(shù)性能?；赟mart Mirror專(zhuān)有架構的電源管理子系統IC就實(shí)現了一種系統級電源管理方法。

　　電池技術(shù)的進(jìn)步以及業(yè)界對具有低工作電壓的多電源域的需求正在對便攜式電子設備的電源管理系統設計提出一些新的要求。

　　圖1：DA9025電源管理芯片。

　　在為手機、便攜式媒體播放器等電子設備中增加新功能時(shí)，要想繼續保持消費者已經(jīng)習慣的待機時(shí)間長(cháng)度，就必須改善設備的電源管理設計。隨著(zhù)多媒體音頻、視頻和游戲功能的日益普及，不可避免地導致系統電池消耗增大。用戶(hù)并不會(huì )注意到這些影響，所以制造商有責任延長(cháng)設備(例如手機)的待機時(shí)間，使其與上一代產(chǎn)品相當。

　　在電池的化學(xué)特性方面，大多數用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)移動(dòng)應用都選擇鋰離子或鋰聚合物這類(lèi)基于鋰技術(shù)的電池，因為這類(lèi)電池不但容量特性出色，而且能提供3.3V到4.2V的終端電壓范圍。為了最大程度地延長(cháng)工作時(shí)間，IC電源電壓一直呈下降趨勢。

　　傳統上，設計人員可以在多個(gè)不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的各種低集成度電源管理部件現貨中進(jìn)行選擇，因而產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度很快。但隨著(zhù)系統日益復雜，需要控制的地方越來(lái)越多，例如，通過(guò)關(guān)閉不用的功能以?xún)?yōu)化電源效率，或者在同一塊IC上運行多電源時(shí)確保正確而穩定的操作。

　　復雜性提高更使得系統需要具備基本的電壓產(chǎn)生和調節功能?？赏ㄟ^(guò)給已用的部件增加額外元件來(lái)滿(mǎn)足這些要求，但這樣做難免會(huì )增加成本，更重要的是在很多情況下這會(huì )增大PCB面積。

　　因此必須更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項技術(shù)中，同時(shí)又不犧牲技術(shù)性能。例如，典型的手持設備中包含一塊鋰電池、主功能控制處理器、存儲器、外設(如顯示器)、內存擴展(SD或MMC卡等)，以及數據轉換或傳感器接口等模擬功能。

　　這種系統需具備多個(gè)不同的電源域，因為不同功能塊有不同的電源要求。處理器通常需要兩個(gè)電源，低壓用于內核以減小功耗，高壓用于連接其他設備。模擬功能需要較高的電源電壓，以保證足夠的工作余量或提供強大的輸出驅動(dòng)，而且由于顯示器尺寸和復雜度不斷增大，顯示驅動(dòng)也需要更高的電壓。

　　除了供電問(wèn)題之外，設計人員還需要考慮以下問(wèn)題：

　　系統怎樣上電：僅用一個(gè)機械開(kāi)關(guān)就足夠還是需要電子方法上電，例如傳感器電路的輸出或報警信號；上電部件如何與控制器接口(典型的例子是兼具電源和其他功能的雙功能按鍵)?

　　當電池電壓超出正常范圍內時(shí)(電壓過(guò)高和電壓過(guò)低)會(huì )發(fā)生什么情況？不同電源如何排序？存在多電壓域時(shí)需要最先激活電壓最高的電源以避免IC死鎖。數據保持或休眠功能是否需要不間斷電源？如何在不取掉電池的情況下關(guān)斷系統？

　　解決以上這些問(wèn)題可利用諸如上電復位(POR)電路、電池監控IC和PLD等標準部件，不過(guò)這給系統增加了元件，使成本提高，而且占用更多的PCB面積。

　　從系統級角度考慮有助于在IC中集成更強大的功能。為了實(shí)現這種系統級電源管理方法，Dialog Semiconductor設計了一系列電源管理子系統IC。

　　這些IC的種類(lèi)范圍從簡(jiǎn)單的單一功能器件，例如低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)或開(kāi)關(guān)轉換器，到具備所有功能的精密復雜的SoC電源管理IC。DA9025就是其中一款，該器件能為鋰電池供電的便攜式應用提供核心功能。芯片內采用高效電路以便最大程度延長(cháng)電池壽命，其核心功能(見(jiàn)圖1)是一個(gè)高效降壓變換器和5個(gè)低靜態(tài)電流、低壓差線(xiàn)性穩壓器，采用Dialog Semiconductor公司的Smart Mirror專(zhuān)有架構。

　　DA9025直接與一個(gè)電池組連接，無(wú)論是否帶有控制器都能工作，而且能提供一種產(chǎn)生和控制多種系統電源的方法，主要針對采用單一鋰離子電源的便攜式應用。在最簡(jiǎn)單的系統中采用適當的電池電壓或使能信號就能啟動(dòng)器件，激活所有穩壓器。

　　DA9025會(huì )持續工作，直到用戶(hù)使用ONKEY管腳關(guān)斷器件，或者發(fā)生錯誤狀況，例如電池電壓過(guò)低等。也可以將器件連接到一個(gè)微控制器，通過(guò)專(zhuān)用管腳進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，或通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現更復雜的控制。

　　DA9025中包含4個(gè)低壓差穩壓器，這是專(zhuān)為系統不同部分提供穩定電壓而設計的。這些穩壓器已經(jīng)針對低噪聲、高電源抑制或低靜態(tài)電流等關(guān)鍵的系統參數進(jìn)行了優(yōu)化。其中有兩個(gè)LDO由于具有低噪聲以及超過(guò)80dB的電源抑制特性，因而可用于為音頻或RF電路供電。

　　給穩壓器供電的電池部分是分開(kāi)的，以達到最大程度的隔離。在I2C總線(xiàn)控制下，穩壓器的輸出電壓也是可編程的。第五個(gè)集成穩壓器用于為實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，當電池被連接在器件上時(shí)，該穩壓器就一直保持激活狀態(tài)，但其靜態(tài)電流極低。

　　除了4個(gè)穩壓電源之外，DA9025中還包含一個(gè)1.8V 400mADC-DC降壓變換器。在許多系統中，降壓變換器都用于為系統處理器和存儲器供電。

　　可以根據負載電流大小將降壓變換器設置為同步或異步工作模式，以?xún)?yōu)化工作效率。變換器中已經(jīng)集成了開(kāi)關(guān)FET，因而需要的外部元件很少。在I2C總線(xiàn)的控制下，降壓變換器的輸出電壓也是可編程的，所以可用于為超低壓的處理器供電。

　　Smart Mirror技術(shù)

　　Smart Mirror是Dialog Semiconductor的一種獨特的技術(shù)，能根據負載需求的變化自動(dòng)調整穩壓器控制電路的偏壓。采用這種技術(shù)的穩壓器能夠將輸出電流的需求反饋給偏壓發(fā)生器，在電流需求降低時(shí)自動(dòng)減小偏壓，從而實(shí)現靜態(tài)電流的動(dòng)態(tài)控制。

　　這使得穩壓器在一個(gè)寬泛的工作電流范圍內都具有很好的PSRR(電源電壓抑制)和動(dòng)態(tài)性能，而不受通常的設計限制(除了負載最重的情況外一律采取過(guò)偏壓)。采用獨立的自適應偏壓控制就不再需要低功耗工作模式，因而在電流需求較低時(shí)也不再需要用戶(hù)介入才能切換到低功耗模式。

　　這種自適應偏壓確保穩壓器始終處于最佳工作點(diǎn)，因此能提供最高級別的PSRR(通常高達80dB)，同時(shí)電流消耗最低。電源電壓抑制也在較大帶寬上保持更高的水平，在217Hz上Smart Mirror能提供超過(guò)90dB的PSRR；即使在10kHz上，PSRR仍高于60dB。

　　由于Smart Mirror是一種全自動(dòng)偏壓控制技術(shù)，因而在零負載情況下靜態(tài)電流消耗很低(通常為15uA甚至更低)。而在傳統的穩壓器中，只有當器件被軟件或硬件配置為低功耗或“ECO”模式時(shí)才可能達到如此低的靜態(tài)電流。而這使系統設計更加復雜，并且需要額外的軟件來(lái)控制，或增加管腳和PCB走線(xiàn)。

　　在最簡(jiǎn)單的系統中，DA9025作為一個(gè)獨立器件工作(這種情況對沒(méi)有控制器的系統而言是理想配置)，提供6個(gè)預定義好的穩壓電源。它支持便攜式應用中常見(jiàn)的系統電壓，例如1.8V和2.8V。

　　不過(guò)，如果所有電壓都固定，缺乏靈活性就會(huì )削弱器件集成度增大所帶來(lái)的好處，因此，DA9025除了為基本電源管理提供組件模塊以外，還為適應系統中常見(jiàn)的所有電源電壓提供多種不同的默認電壓配置，包括1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。此外，如果默認的電源啟動(dòng)順序不合適，還可以選擇顛倒啟動(dòng)順序。這些選擇確保所設計的系統處于最合適的電源電壓下。

　　該設計支持多種上電檢測可選方案(例如，可選擇輸入信號低電平或高電平有效)，還可提供系統復位信令，以及用于連接上電信號的開(kāi)漏緩沖輸出。

　　精密比較器監測電池狀態(tài)是否出現電壓過(guò)高或過(guò)低的情況，一旦出現這類(lèi)情形，比較器就會(huì )將系統關(guān)斷。在系統激活時(shí)，電壓最高的電源最先激活，其他電源每隔200us激活一個(gè)，以便將穩壓器對其充電電容器進(jìn)行穩定和充電時(shí)的啟動(dòng)電流降至最低。

　　另外，采用器件的總線(xiàn)還可以實(shí)現輸出電壓編程和個(gè)別電源掉電控制等額外控制功能。I2C是雙向總線(xiàn)，通過(guò)它能訪(fǎng)問(wèn)狀態(tài)和故障寄存器。這個(gè)寄存器用于記錄事件而且隨后可以查詢(xún)。

　　如果與一個(gè)處理器配合使用，DA9025還能支持看門(mén)狗功能，即由處理器向一個(gè)仍處于工作狀態(tài)的電源管理IC周期性地發(fā)送信令。該功能對軟件死鎖時(shí)的器件保護十分有用，如果沒(méi)有這項功能，那么當軟件出現死鎖時(shí)，器件的工作狀態(tài)會(huì )被凍結，只有取掉電池并重啟系統，器件才能重新工作。

　　DA9025的典型應用：便攜式媒體播放器

　　由于需要多電源的系統越來(lái)越多，設計人員的任務(wù)也愈加艱巨。他們面臨著(zhù)日益縮短的上市時(shí)間要求，為滿(mǎn)足這一要求，找到簡(jiǎn)單易用的電源管理方案就變得至關(guān)重要。

　　圖2：一個(gè)簡(jiǎn)單的便攜式音頻播放器電源管理子系統。

　　DA9025的靈活性使它非常適于低功耗系統以及采用先進(jìn)微控制器或DSP的系統，前者通常包含數字和模擬功能，而后者的內核和外設通常需要單獨的電源供電。DA9025能提供一種基本的系統級電源管理方案，進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制，實(shí)現順序上電和電池監控，因此它能用于為更復雜的系統內核供電。此外，設計人員還可以利用現有的標準元件為其添加附加穩壓器或電池充電等額外功能，從而使得設計人員能夠快速配置完整的系統。

　　盡管DA9025主要是針對采用單鋰電池供電的系統，但它也能用于具有3.3V電源的系統中，例如用于PCMCIA、SD、MMC、CF和迷你PCI等計算機接口。便攜式音頻播放器就是DA9025成功應用一個(gè)典型例子(見(jiàn)圖2)。

　　采用系統級方法在IC中集成最常見(jiàn)功能的主要益處在于加快上市時(shí)間，因為這種方法提前解決了一些通常要在開(kāi)發(fā)階段中期才會(huì )考慮的問(wèn)題。此外，也可以選擇采用全SoC方法，這樣得到的IC功能往往十分靈活，足以應付多種不同的應用，同時(shí)也讓設計人員有足夠的自由，能夠輕松地根據需要添加額外功能。