優(yōu)化針對高端應用處理器的電源管理
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針對當今便攜式應用處理器的電源管理解決方案的集成度越來(lái)越高了?？偣?、待機和休眠電流消耗會(huì )影響電池的大小、原材料成本與產(chǎn)品驗收。設計智能手機或PDA之類(lèi)的便攜式器件時(shí)，系統設計師必須考慮電源的多種變量。智能手機越來(lái)越耗電，需要高度集成的電源管理解決方案，以便在盡可能最小的PCB面積中滿(mǎn)足整體設計對最長(cháng)電池壽命的要求。當今的應用處理器要求內核、I/O、存儲器和外設具有獨立的電源域。LP3971是一個(gè)靈活的電源管理單元（PMU），借助于3個(gè)高效降壓轉換器和6個(gè)LDO可以滿(mǎn)足全部要求。應用處理器需要多個(gè)電源電壓，其可根據核心電源管理器和系統架構的要求進(jìn)行優(yōu)化。LP3971滿(mǎn)足了廣泛的系統要求，具有I2C控制的輸出電壓，和工廠(chǎng)可配置的加電順序以及默認的輸出電壓。本設計思想集中在利用LP3971降壓轉換器和PDA或智能手機用LDO來(lái)為微處理器的低壓軌供電。
設計系統時(shí)，工程師必須平衡所有的要求，如成本、PCB面積、元件尺寸、通話(huà)時(shí)間、待機時(shí)間、電池容量和時(shí)間表。RAM需要一個(gè)最大電流為400 mA的1.5V 電源。讓我們從最簡(jiǎn)單、成本最低的解決方案——直接與圖1所示的鋰離子(Li-Ion)電池相連的低壓降(LDO)穩壓器——開(kāi)始。電池電壓起初為4.2V，逐漸降至3.2V，在對電池充電或替換該電池之前系統均處于休眠狀態(tài)。圖2對典型的鋰離子電池放電周期進(jìn)行了說(shuō)明。對于圖1所示的配置，LDO 5的效率為：
LDO%效率= [(VOUT×IOUT) / VIN×(IOUT + Iq)]×10
對于本例和本文中的所有其它例子，均忽略Iq，因為與IOUT (400 mA)相比它很小。于是，效率等式就變?yōu)椋?BR> LDO%效率 = [(VOUT) / (VIN)]×100
如果VIN = 4.2V且VOUT = 1.5V，則LDO效率為1.5/4.2 = 36%。
總功率(PT) = 4.2×0.400 = 1.70W
未提供給輸出負載的全部功率將在LDO內以熱的形式消耗掉。
功耗(PD) = (VIN - VOUT)×IOUT = (4.2 - 1.5)×0.400 = 1.1W
1.1W的功率將以熱的形式消耗掉。
我們剛才計算了最大的連續功耗（PT）。RAM不會(huì )長(cháng)時(shí)間在該水平下工作。如果占空比為10%，則平均功耗為：
PT = 0.10×1.7 = 0.17W
IMAX下，RAM的工作時(shí)間取決于應用、電源管理固件和操作系統。
如圖2所示，電池電壓不會(huì )長(cháng)時(shí)間保持在4.2V的水平上。我們重新計算一下額定電壓為3.6V的電池的功耗。
VOUT仍為1.5V，則LDO效率為42%。
如果系統所需的低功耗和圖1所示的配置得不到滿(mǎn)足，則考慮圖3所示的解決方案，在那里L(fēng)DO 5的輸入與Buck 3的輸出（其被設為1.8V，以便為存儲器供電）相連。
對于圖3所示的配置，當LDO 5的輸入與1.8V的軌相連時(shí)，按下式計算效率：
LDO%效率= VOUT / VIN = (1.5V / 1.8V)×100 = 83%
功耗約為：
PD = (VIN - VOUT)×IOUT = (1.8 - 1.5)×0.400 = 0.12W
0.12W的功率將以熱的形式消耗掉。
在這里請注意，LDO 5效率為83%。如果我們采用開(kāi)關(guān)電源而非LDO 5的話(huà)，效率僅為85%，對于該模塊僅提高了2%。
然而，整體效率取決于所用的轉換器的類(lèi)型。利用LP3671降壓轉換器數據表中的效率曲線(xiàn)（圖4），由這種雙轉換DC/DC + LDO引起的系統損耗占整個(gè)系統損耗的78%。LDO是成本最低、尺寸最小和噪聲最低的解決方案。
增加另一個(gè)DC/DC轉換器來(lái)為RAM供電會(huì )將PCB面積增加10mm2（由于需要增加的大電感的尺寸為3mm×3 mm），并會(huì )提高系統的整體噪聲。如果沒(méi)有1.8V的電源，則可以使用電壓低于VBATT的任何降壓轉換器電壓軌。LDO的輸入電壓越低，效率則越高——只要輸入電壓大于VOUT + VDROPOUT。
結論
不必擔心何時(shí)采用LDO來(lái)為本文所示的低壓微處理器供電。問(wèn)問(wèn)您自己：“我真的想用額外的降壓轉換器和電感來(lái)將系統效率僅提高幾個(gè)百分點(diǎn)嗎？”用降壓轉換器為低壓軌供電會(huì )增加PMIC的尺寸，需要添加一個(gè)3mm×3mm的電感，而且會(huì )增加BOM成本和PCB面積。相反，LDO經(jīng)濟實(shí)惠、尺寸小、且簡(jiǎn)便易用，更不用提它是成本最低的解決方案了，并且還能針對您的應用對其進(jìn)行優(yōu)化。
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