UMPC和MID的電源系統設計挑戰及解決辦法

UMPC(超便攜移動(dòng)個(gè)人電腦)和MID(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端)是近年來(lái)最具成長(cháng)潛力的便攜式電子產(chǎn)品。作為一種硬件設計小巧輕便的設備，通過(guò)UMPC，用戶(hù)可以享受移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢，還可以在移動(dòng)過(guò)程中訪(fǎng)問(wèn)多種辦公應用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類(lèi)似，同樣為便于攜帶的移動(dòng)PC產(chǎn)品，便于用戶(hù)隨時(shí)享受影音娛樂(lè )、進(jìn)行郵件收發(fā)等操作。

更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移動(dòng)特性使得UMPC和MID產(chǎn)品對電源系統的性能、功耗、保護及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID產(chǎn)品需要向處理器、存儲器、顯示器和其它部分提供不同的工作電壓，以減少處理器消耗的電量，延長(cháng)電池的運行時(shí)間，并提高電池的供電效率。因此，本文將從UMPC和MID中的處理器、存儲器、顯示器這幾個(gè)方面著(zhù)手對其電源系統設計進(jìn)行深入探討。

多個(gè)電壓軌的安排成為一大挑戰

UMPC和MID設備現已成為一個(gè)集成多種功能的平臺，該平臺上匯集了消費者所能想象的幾乎所有功能，如移動(dòng)電話(huà)、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、辦公軟件、電子郵件、藍牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戲、數碼相機、移動(dòng)電視、多媒體播放器等等。無(wú)疑，如此高的集成度將給電源系統設計帶來(lái)重大的挑戰，這些挑戰包括高功耗、散熱、高效電源管理、EMI和噪聲消除等問(wèn)題。飛兆半導體公司(Fairchild)資深工程師李仁果認為，解決上述挑戰的途徑包括：利用動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)解決方案提高功效；通過(guò)良好的電路板布局改進(jìn)散熱和EMI；高性能DC/DC功率模塊加上具有低噪聲LDO的低VIN解決方案在設計靈活性、易用性和成本因素方面優(yōu)于電源管理單元(PMU)。

在將上述多個(gè)功能模塊組合在一起時(shí)，由于每一個(gè)內核芯片都有其自己的上電順序，因此系統設計人員不能像在功能手機中那樣共享電壓軌?！霸?×3英寸的面積中安排多達20多個(gè)電壓軌是一個(gè)巨大的挑戰。集成的電源解決方案應該是一個(gè)不錯的解決方案。但對于芯片設計人員而言，如何在靈活性和集成度之間實(shí)現平衡是一個(gè)非常大的挑戰?！钡轮輧x器(TI)中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理張洪為表示。

但所有的功能模塊并不需要在同一時(shí)間內使用，因此總體而言，電池容量足以支持功能擴展的趨勢。此外，MID/UMPC并不是一個(gè)純粹的娛樂(lè )設備，它還可作為工作的有益工具。終端用戶(hù)需要知道他們可播放視頻的時(shí)間長(cháng)短、可上網(wǎng)的時(shí)間長(cháng)短以及可通過(guò)Skype/MSN和客戶(hù)聊天的時(shí)間長(cháng)短。這樣就可以分配時(shí)間并保存實(shí)現必要功能所需的電池能量。因此，在許多應用中，能夠精確預測電池運行時(shí)間變得至關(guān)重要。

另一個(gè)挑戰在于保持同等(甚至更長(cháng))電池工作時(shí)間，而不會(huì )顯著(zhù)增加電池尺寸。安森美半導體數字及消費產(chǎn)品部系統及應用經(jīng)理Jacques Lavernhe強調，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、藍牙等多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，除了集成電源管理集成電路(PMIC)和電源空間間隔尺度等電源管理技術(shù)，還應該特別注意節省通信設備物理層(PHY)輸出的能量。在工作階段，無(wú)線(xiàn)物理層一直在睡眠與工作狀態(tài)之間轉換?！霸谒郀顟B(tài)，RF功能關(guān)閉，但數字內核仍在工作?？衫脛?dòng)態(tài)電壓調節(DVS)和動(dòng)態(tài)頻率調節(DFS)技術(shù)來(lái)節省大量電能?！?/P>

同樣是考慮到在一個(gè)外形纖巧的設計中能實(shí)現以上所有功能以及較長(cháng)的電池壽命，美信集成產(chǎn)品公司(Maxim)Infopower業(yè)務(wù)總監Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC設備中，需要多達30至40個(gè)電壓調節器對處理器和所有外設供電。需要具有高效調節器和最少外部元件的高集成度PMIC來(lái)盡可能地延長(cháng)電池壽命，并減小MID/UPMC的尺寸。

由于UMPC產(chǎn)品中普遍需要多個(gè)不同的電壓軌(通常由單節鋰離子電池來(lái)提供)，其中包括多個(gè)微處理器電壓軌以及眾多的特殊功能電路電壓軌。因此，人們迫切要求電池能提供所需的功率。不過(guò)，電池的外形尺寸相對較小，而且功率密度也只實(shí)現了中等程度的增加。在這種情況下，電池運行時(shí)間和良好的熱管理都成為了重要的賣(mài)點(diǎn)，對于非常緊湊且具有高效率的多輸出同步轉換器的需求便應運而生。

轉換效率上的提升使得同步降壓、升壓或降壓-升壓型轉換器與傳統的線(xiàn)性穩壓器相比，在電池運行時(shí)間上獲得了實(shí)質(zhì)性的改善。此外，這些轉換器還提供了約95%的效率，并免除了增加任何散熱裝置的需要。凌力爾特公司(Linear)針對便攜式電源管理應用提供的產(chǎn)品擁有許多獨特優(yōu)勢，包括：高開(kāi)關(guān)頻率(高達8MHz)、高效轉換(以最大限度地減少熱問(wèn)題)、輕負載時(shí)的高效率、待機模式中的非常低靜態(tài)電流(低至9μA)和高集成度(內置了集成MOSFET和肖特基二極管)。該公司近期推出的多輸出同步降壓和降壓-升壓型穩壓器系列即可提供這種超緊湊型的高效率解決方案(如LTC3544、LTC3545等)。

在低成本、外型輕薄和具有移動(dòng)上網(wǎng)功能的前提下，UMPC/MID的電源設計還必須擺脫傳統個(gè)人電腦外部零件復雜、具有較高的輸出噪聲和待機功耗、較高BOM成本等限制。為此，阿瑟萊特科技(AXElite Technology)針對UMPC/MID推出了兼具極少外圍組件和超低壓差的1A～5A ULDO線(xiàn)性穩壓器，并且為達到產(chǎn)品輕巧和對省電的要求，根據Intel ATOM或VIA NANO平臺上配置的UMPC/MID電源所需提供的各種低電壓轉換要求來(lái)提供穩定的電源供應方案。例如，1.5V轉1.2V穩定供給802.11/藍牙無(wú)線(xiàn)模塊所需的1A～5A電源管理方案，可將外部組件減到最少并且紋波噪聲比傳統開(kāi)關(guān)式穩壓器更低。

面向處理器功耗優(yōu)化的電源管理

UMPC/MID設備中常用的微處理器具有多個(gè)低電壓軌，在接通和停機期間必須對這些電壓軌進(jìn)行正確的上電操作。這些低電壓軌通常包括CPU內核電壓、I/O和一些存儲器。此外，CPU內核電壓還會(huì )視所需處理電平的不同而改變，因而要求電源對其電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，以達到優(yōu)化功耗的目的。

凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降壓型穩壓器，能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續輸出。每個(gè)通道均可通過(guò)板上I2C接口(兩個(gè)通道通過(guò)I2C，另兩個(gè)通道則通過(guò)RUN引腳)進(jìn)行獨立控制(包括輸出電壓)，從而使其非常適合于那些要求對輸出電壓實(shí)現動(dòng)態(tài)調整的應用(如微處理器)。

LTC3562采用一種恒定頻率和電流模式架構，工作輸入電壓范圍為2.85V至5.5V，因而使其成為單節鋰離子/鋰聚合物電池或多節堿性/鎳鎘/鎳氫電池應用的理想選擇。LTC3562有兩個(gè)通道(600mA和400mA)，可通過(guò)將反饋電壓設置在425mV至800mV之間(利用I2C接口)來(lái)調節輸出電壓。另兩個(gè)通道則提供了固定輸出電壓，可利用I2C接口將輸出電壓設置在600mV至3.775V之間(以25mV為梯級)。這種輸出電壓獨立控制水平使得該器件非常適合于管理便攜應用中所常見(jiàn)的多個(gè)電源軌。

德州儀器(TI)的張洪為對此亦有認同，“為盡可能地減少能耗，可采用多個(gè)電壓軌。我們使用該技術(shù)將電池的工作時(shí)間幾乎延長(cháng)了一倍。今后人們還將不斷降低電壓，但就電壓降低而言，系統的不同部件具有不同的問(wèn)題和步驟，因此將會(huì )出現更多的電壓軌?！彼J為，一種較簡(jiǎn)單的解決方案就是采用低壓輸入 LDO。利用這種技術(shù)的支持，就可以從鄰近的電壓軌得到多個(gè)電壓軌并保持最高效率。例如，可以從1.8V的電壓軌獲得1.6V PLL電壓，并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的許多PMU均采用低輸入LDO，如TPS65051。

雖然處理器要執行從音視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽到游戲等大量任務(wù)，但它仍然需要在一段較長(cháng)時(shí)間內保持待機狀態(tài)。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，處理器的功耗可能在幾微安到數安培之間變化，給處理器供電的電壓調節器需要在所有負載條件下都提供高效率。此外，電壓調節器還應提供動(dòng)態(tài)電壓調節、極高的電壓精度以及負載瞬態(tài)響應，以滿(mǎn)足處理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load專(zhuān)利技術(shù)的MIC23031調節器可以在各種負載條件下提供很高的效率。