便攜及電池供電系統電源管理設計

當今的便攜應用集成越來(lái)越多的功能。大趨勢是手機不單是移動(dòng)電話(huà)，還成為數碼相機(DSC)、移動(dòng)電視終端以及游戲機和多媒體終端?，F今的數字技術(shù)讓?xiě)锰幚砥髯銐驗榻K端客戶(hù)提供這些功能。

然而，這種功能劇增的代價(jià)是功率消耗越來(lái)越高。由于電池容量及技術(shù)方面的改進(jìn)步伐非常緩慢，工程師面臨兩項主要挑戰。首先，他們必須適應這種結合了許多功能的高集成度；其次，他們必須提供長(cháng)的電池使用時(shí)間。

除了功能劇增，手機用戶(hù)的另一項強烈要求在于外形尺寸。消費者既不希望犧牲電池使用時(shí)間，也不希望集成額外功能而影響手機尺寸和外形尺寸。

為了應對這些挑戰，最佳的策略就是在主芯片組中集成越來(lái)越多的功能，從而產(chǎn)生雙芯片或三芯片方案，并配有集成的電源管理集成電路(PMIC)。PMIC除了為手機供電，還可以集成所需的全部模擬功能，如電池充電器、USB OTG收發(fā)器、音頻信號處理及放大、白光發(fā)光二極管(LED)驅動(dòng)器，以及比較器和用于鍵盤(pán)背光的電源驅動(dòng)器。這種方法的主要優(yōu)勢是簡(jiǎn)化設計，將控制電源所需的資源減至最少(僅雙線(xiàn)式I2C總線(xiàn)能夠控制整個(gè)電源管理單元)，并將外形尺寸和經(jīng)濟限制保持在可控范圍之內。顯而易見(jiàn)，這種方法優(yōu)勢多多，是應對這些挑戰的主要方案。

然而，盡管PMIC中集成了越來(lái)越多的電源功能，但隨著(zhù)新一代手機的出現，集成度相對較低的電源轉換IC的需求也增加了。

圖，應用處理器電源子系統IC示例

這需求增加的原因非常簡(jiǎn)單：僅使用標準方案，不嘗試與其它產(chǎn)品形成差異化——手機制造商推動(dòng)手機成為提供標準功能的標準設備。這對那些對技術(shù)越來(lái)越敏感及越來(lái)越需要新功能的消費者來(lái)說(shuō)，真的是不如人意。這樣一來(lái)，手機制造商必須將他們與競爭對手區分開(kāi)來(lái)，并利用會(huì )吸引消費者喜好的新功能來(lái)提供不同之處。這就是我們所謂的“差異化”。這就驅使設計人員增加并未集成在基本芯片組中的特別功能，而這可能需要額外的應用處理器，并可能需要額外的電源系統。

另外一項能夠解釋這種需求增加趨勢的因素，是開(kāi)發(fā)周期時(shí)間越來(lái)越短。一方面，市場(chǎng)對新功能的需求推動(dòng)開(kāi)發(fā)周期時(shí)間越來(lái)越快；但另一方面，開(kāi)發(fā)集成這些新功能的新芯片組需要經(jīng)年累月的時(shí)間。在當今這個(gè)快速變化的市場(chǎng)，工程師肯定不會(huì )坐等新芯片組的上市，并會(huì )選擇獨立IC及應用處理器。

下面部分的討論將從電源架構系統角度，展示電源設計段如何導致不同的架構及不同的IC選擇。

確定“電源域”

確定系統的電源管理方案并不簡(jiǎn)單，設計人員必須留神，從而提供讓人能夠接受的電池使用時(shí)間。雖然手機集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越豐富，但大多數功能處于關(guān)閉或休眠模式。實(shí)際上，用戶(hù)在觀(guān)看電影或電視時(shí)，MP3播放器功能應當關(guān)閉。設計人員通過(guò)確定各項功能應當何時(shí)及為何開(kāi)啟，就可以定義電源域(power domain)。例如，用戶(hù)使用藍牙語(yǔ)音通信功能時(shí)，所有與語(yǔ)音有關(guān)的信號處理都由藍牙模塊來(lái)操作。在這種情況下，主基帶中的語(yǔ)音處理功能應當關(guān)閉。據此應該能夠獲得“藍牙語(yǔ)音通信電源域”定義、功率需求(應該開(kāi)啟的電源模塊)及功率預算。這第一級的規范將幫助確定手機應當設計多少個(gè)電源系統，以及一定程度的功率間隔度。

根據應用中要求的電源管理水平，每個(gè)電源域可以再劃分為不同的“子電源域”。最后，這個(gè)非常重要的設計段將幫助確定手機工作需要的是哪些不同及獨立的電源穩壓器。

確定穩壓器

跟電源域研究不同，穩壓器的確定相當簡(jiǎn)單。設計人員必須針對前一個(gè)電源設計段中確定的各個(gè)功率間隔度，選擇DC-DC轉換器或低壓降(LDO)穩壓器。

這里的選擇主要由需要供電的穩壓器的功能決定?，F在一般的共識是，為了給高耗電的應用處理器供電，工程師除了使用電感型DC-DC轉換器之外，別無(wú)選擇。這類(lèi)DC-DC轉換器具有高于90%的轉換效率，以及低散熱、小尺寸和少外部元件數量等特性。但另一方面，射頻及噪聲敏感型功能的模擬電源(Vcc)可能仍需要使用低噪聲的LDO。

在這個(gè)電源設計段的最后，設計人員應當確定電源系統應該含有多少數量的獨立電壓軌(voltage rail)、各個(gè)穩壓器所選擇的類(lèi)型，以及電源系統應該給負載提供的最大電流。

確定先進(jìn)的電源管理功能

處理器內核的供電電流會(huì )隨著(zhù)時(shí)鐘頻率及電壓而變化。如果忽略直流泄漏電流，功率耗散近似值由公式PD=CV2f(其中C為各個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)關(guān)的電容，V為電壓，f為頻率)確定。雖然由于集成芯片并不僅使用CMOS電路的緣故，這個(gè)等式并不是非常精確，但功率耗散還是隨著(zhù)電壓的平方及隨著(zhù)頻率而線(xiàn)性減少。這個(gè)簡(jiǎn)單的公式可定義動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)和動(dòng)態(tài)頻率調節(DFS)技術(shù)。典型的應用處理器電源子系統如圖所示。

DVS技術(shù)非常有效，然而它需要非常精確的穩壓及非常高的穩壓精度，以及從一個(gè)電壓電平到另一個(gè)電壓電平的平穩轉換，需要精度達3%的電源軌來(lái)提供良好的DVS性能。

DVS要求片上測量數字內核的電壓負荷，這種片上測量以PMIC閉環(huán)的方式來(lái)使用，以及調節電源電壓。這使數字內核能夠以?xún)?yōu)化的電壓工作，并將開(kāi)關(guān)損耗降至最低。

現在，DVS還不是很普及，其中一個(gè)主要原因是它大幅增加了軟件復雜度。因此，設計復雜度與電池使用時(shí)間之間的權衡并沒(méi)有明顯的方案。然而，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，芯片上越來(lái)越多地嵌入及微編碼了所有必需的測量功能。這樣一來(lái)，復雜度就不再阻礙該技術(shù)更廣泛的普及。

支持這種技術(shù)的電源管理IC將越來(lái)越專(zhuān)用化，因為需要根據它們處理器提供的性能及技術(shù)來(lái)設計這些電源管理IC。

確定電源管理功能的架構

如前所述，手機設備的主芯片組將會(huì )是帶有復雜電源管理單元(PMU)的高集成度雙芯片或三芯片方案。但是，在這個(gè)主PMU上，電源管理結構定義期間確定的電源域及電源間隔度，以及工程師選定的先進(jìn)電源管理功能，可能導致選擇不同的電源管理子系統IC，這些IC專(zhuān)門(mén)用于各個(gè)應用處理器，或由一組應用處理器共用。

這種方法相比高集成度方案的主要優(yōu)勢首先就是為工程師提供高靈活度，能夠及時(shí)調整設計，適應快速的市場(chǎng)變化及新功能要求。

除此之外，無(wú)法使用GPIO輸入來(lái)提供電源管理子系統IC的可編程能力等級。IC將與處理器串行鏈接，而鏈接總線(xiàn)可以是SPI、I2C，或者更復雜的MIPI總線(xiàn)。

結論

在手機中不可能擺脫使用集成PMIC作為內核電源。IC以簡(jiǎn)單的設計結合高集成度、高能效方案以及高性?xún)r(jià)比的功能。然而，由于靈活性較差、IC及芯片組的開(kāi)發(fā)周期時(shí)間相對于手機增加功能的需求而言顯得較長(cháng)，以及制造商的差異化要求，用于應用處理器的小尺寸DC-DC轉換器和電源子系統仍然擁有很好的市場(chǎng)前景。假定供應商能夠提供高性?xún)r(jià)比、小巧及高能效的方案，設計人員的選擇就非常多了。