為便攜式系統挑選理想電源管理方案

　　在更多地考慮電源管理方面問(wèn)題的情況下，便攜式電子產(chǎn)品的構架可用圖1表示。今天，大部分便攜式電子產(chǎn)品都采用鋰電池為系統提供供電，而電源管理在整個(gè)系統中所發(fā)揮的作用主要包括三個(gè)方面：電池管理，充電、保護、剩余電量測量；功率轉換，利用電池的供電為負載提供適當的電壓及電流；負載管理，提高用電效率，充分發(fā)揮能源效益。
　　通常，便攜式電子產(chǎn)品的負載可分為兩大類(lèi)：一種是屬于數字子系統(核心及輸入/輸出)的負載，而另一種則是信號路徑(模擬或射頻信號)的負載。由于這兩類(lèi)負載需要的電壓/電流都各不相同，因此系統的電源供應需要進(jìn)行不同的功率轉換，以便為不同負載饋送不同的電壓/電流。
　　可以提供“功率轉換”功能的芯片基本上采用三種不同的功率轉換技術(shù)，因此功率轉換器基本上也分為三大類(lèi)，即低壓降穩壓器、電感式直流/直流轉換器及開(kāi)關(guān)電容器直流/直流轉換器。圖2所介紹的便是這三種不同的電路布局。
　　數字子系統及信號路徑作為負載對電源有各自不同的要求，我們必須分別予以考慮，并做出適當的取舍，才可確保系統能夠充分發(fā)揮其性能。

　　專(zhuān)為數字核心及輸入/輸出而設的功率轉換器
　　處理器核心及數字輸入/輸出等數字子系統耗用較多的供電，而且新一代的數字子系統需要的供電電壓(Vcc)遠比輸入的電源供應低，有時(shí)甚至低至1V。此外，處理器必須長(cháng)時(shí)間開(kāi)啟，即使處于待機狀態(tài)也不能關(guān)閉。先進(jìn)的電感式同步降壓穩壓器可以滿(mǎn)足數字負載的這些特性。
　　電感式直流/直流轉換器采用半橋接式輸出級，后接低通濾波器。這種轉換器的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論輸出/輸入電壓比(V_OUT/V_IN)有多大，都能以極高的效率輸出穩定電壓。
　　但這種技術(shù)既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)，而且大部分問(wèn)題都源自電感器，因此選擇外接元件時(shí)便需要小心考慮相關(guān)的因素。例如，電感值(即電感器體積)越小，紋波電流便越大，雖然要確保系統體積小巧，便必須采用極小巧的元件，但系統設計工程師必須明白魚(yú)與熊掌不能兼得。
　　提高開(kāi)關(guān)頻率的好處是系統可以采用較小型的電感器，但開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也就越大，轉換效率也會(huì )相應下降，因為開(kāi)啟及關(guān)閉MOSFET時(shí)會(huì )出現時(shí)間上的延遲，而且以更高速度為柵極電容器充電會(huì )耗用更多電能。MOSFET的柵極及源極之間存在電容器效應，當電容器進(jìn)行“充電”時(shí)，MOSFET無(wú)法達到飽和的狀態(tài)（漏極源極電阻 (R_DS-ON) 不是處于最低點(diǎn)）。生產(chǎn)半橋接式高集成度直流/直流轉換器的廠(chǎng)商有責任將其中的影響減至極低。

　　對于需要預先確定di/dt噪音頻率的系統來(lái)說(shuō)，設有PWM模式的固定頻率直流/直流轉換器是理想的電源管理解決方案。但PWM的缺點(diǎn)是需要比較高的操作電流的支持。若負載只有“全速”或關(guān)閉兩種操作模式，這個(gè)缺點(diǎn)即可忽略不計。但對于即使處于待機狀態(tài)仍然需要獲得供電電流的數字處理器或易失性存儲器來(lái)說(shuō)，我們便需要采用可以隨時(shí)轉換到脈沖跳躍或PFM 模式的芯片。
　　以PFM模式來(lái)說(shuō)，只有在輸出電壓跌穿比較器的閾值時(shí)，半橋接芯片的頂部MOSFET才會(huì )啟動(dòng)。與此同時(shí)，P通道MOSFET隨即啟動(dòng)，而輸出濾波器也會(huì )重新充電。這個(gè)操作PFM模式會(huì )持續, 直至檢波器顯示輸出電流升越某一閾值, 再轉入PWM模式。PFM模式有兩大優(yōu)點(diǎn)：由于許多內部電路已關(guān)閉，因此直流/直流轉換器的操作電流會(huì )大幅下降；此外，內部電路在有需要時(shí)(而非在每一時(shí)段的開(kāi)始)才啟動(dòng)或關(guān)閉，有助將輸出級的開(kāi)關(guān)損耗減至極低。
　　一如所有電源管理系統，上述設計也有本身的缺點(diǎn)。以PFM模式來(lái)說(shuō)，由于頻率并非固定，因此di/dt 噪音便變得不可預測。但經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PFM模式可以以額定的固定頻率或接近這一頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。其輸出的紋波很小，全部由輸出電容器充電/放電產(chǎn)生，因此EMI可說(shuō)微不足道。
　　若效率要求并非這么嚴格，開(kāi)關(guān)電容器降壓穩壓器是另一理想的選擇。這種電路布局無(wú)需采用電感器，但效率則高于低壓降穩壓器芯片。若與電感式直流/直流轉換器比較，采用開(kāi)關(guān)電容器降壓穩壓器不但可以縮小印刷電路板的體積，而且還有助降低系統成本。圖3分別列出電感式開(kāi)關(guān)穩壓器（面積約為 7 mm × 5 mm）及開(kāi)關(guān)電容器降壓穩壓器（面積約為 5 mm × 5 mm）的印刷電路板布局及面積。

　　信號路徑的功率轉換
　　信號路徑芯片的功率轉換過(guò)程與數字子系統有頗大的不同。信號路徑芯片面對的是“真實(shí)世界”的模擬信號，因此必須確保信號的完整性?；谶@個(gè)原因，信號路徑的電源管理系統需要優(yōu)先考慮的因素便大不相同。信號路徑的電源管理系統很多時(shí)候都采用低壓降穩壓器，而且是這類(lèi)電源管理系統最常用的線(xiàn)路設計。
　　由于這種線(xiàn)性芯片要求的輸出電壓較高，而要求的輸出電流則相對較低，因此功耗對系統的整體效率只有輕微的影響。由于這些芯片的負載較為穩定，因此可以集中改善電源抑制及壓降以提升效率。

　　電源抑制比(PSRR)是顯示 信號干擾程度的指標，可以顯示電源管理芯片能否有效抑制伴隨輸入信號而來(lái)的干擾。電源抑制比是輸入信號的固定頻率正弦波與輸出信號振幅之間的比率。這兩個(gè)數值之間的比率也是電源抑制比的定義，由于電源抑制比與噪音會(huì )產(chǎn)生同樣性質(zhì)的影響，因此挑選電源管理芯片時(shí)必須兩者一并考慮。
　　壓降是指低壓降穩壓器芯片所必須預留的降壓空間，以便能夠利用低輸入電平產(chǎn)生輸出電流。壓降實(shí)際上是P通道MOS芯片的漏極源極電阻(RDS-ON)乘以輸出電流。輸出電流若上升，壓降的要求便會(huì )更加嚴格。
　　目前市場(chǎng)上出現一種專(zhuān)為信號路徑負載提供穩壓供電的嶄新電源管理技術(shù)。這是一種適合射頻功率放大器采用的技術(shù)，其特點(diǎn)是利用一款特殊應用直流/直流轉換器為功率放大器提供供電電壓(Vcc)。雖然這種技術(shù)的應用一直局限在移動(dòng)電話(huà)方面，但無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)及其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準也開(kāi)始采用這種技術(shù)。圖4顯示一組可以取代直流/直流轉換器的射頻功率轉換器子系統。

　　新一代的功率放大器即使利用遠比傳統3V低或高的供電電壓提供供電，其線(xiàn)性特性絲毫也不會(huì )受到影響，而且由于功率放大器基本上是固定阻抗的負載，因此降低供電電壓(Vcc)非常有助于節省耗電。移動(dòng)電話(huà)若采用這種新技術(shù)，大約可節省80%以上的功耗，實(shí)際節省的電量須視乎采用什么類(lèi)型的射頻發(fā)射系統而定。通過(guò)控制信號輸入直流/直流轉換器，供電電壓可以因應檢波器所示功率的大小按比例變動(dòng)。由于傳送信號所需的供電較少，供電電壓可以降低，有助節省寶貴的電力。系統設計工程師采用射頻功率放大器設計新產(chǎn)品時(shí)，必須知道系統要求的最低供電電壓。如果供電電壓低至1.5V或以下，而功率轉換器仍可保持其線(xiàn)性特性，那么新設計便適宜采用這種特殊應用直流/直流轉換器。

　　支持發(fā)光功能的LED驅動(dòng)器
　　以便攜式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，燈光是重要的人機接口。新一代的移動(dòng)電話(huà)必須裝設發(fā)光二極管才可為液晶顯示屏及小鍵盤(pán)提供背光。驅動(dòng)發(fā)光二極管的驅動(dòng)器采用以下三種不同的設計布局：驅動(dòng)并行發(fā)光二極管的電壓模式；驅動(dòng)并行發(fā)光二極管的電流模式；驅動(dòng)堆疊發(fā)光二極管的穩壓模式。
　　驅動(dòng)并行發(fā)光二極管的電壓模式非常容易使用，而且成本也較低廉。這種模式采用電荷泵技術(shù)，但這種技術(shù)有它的缺點(diǎn)，例如需要采用電阻調節電流，而且不同發(fā)光二極管之間的電流及亮度會(huì )有一定的高低參差。
　　驅動(dòng)并行發(fā)光二極管的電流模式也需要倚靠電荷泵技術(shù)的支