集成與靈活性

　　現代便攜式裝置電源管理解決方案的開(kāi)發(fā)商正面臨各種挑戰，不僅要讓設計更精巧、更便宜與更省電，還要有更大靈活性。一個(gè)平臺只須要略為修改就能適應不同市場(chǎng)的各種終端產(chǎn)品。本文以一套便攜式導航系統為例介紹三種不同的電源管理解決方案概念，同時(shí)說(shuō)明這些概念會(huì )隨著(zhù)主要需求不同而各有優(yōu)點(diǎn)與用途。這三種概念是完全集成設計 (full integration)、熱最佳化局部集成設計 (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立設計 (layout-optimized discrete)，至于個(gè)別環(huán)境的最佳架構則必須視整體的技術(shù)、應用和商業(yè)需求而定。
 
圖1  60W, 16V/3.75A應用電路

　　便攜式導航系統又稱(chēng)為個(gè)人導航輔助系統 (Personal Navigation Assistants)，是消費電子市場(chǎng)成長(cháng)最快的領(lǐng)域之一，可滿(mǎn)足使用者基本的方向感與導航要求。利用便攜式導航系統提供定位服務(wù) (LBS) 現仍在初步發(fā)展階段，但此領(lǐng)域將自2010起快速成長(cháng)，尤其是歐洲新部署的伽利略 (Galileo) 商業(yè)系統必然會(huì )帶動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展。便攜式導航功能還可擴大應用到其它的便攜式使用者裝置，這正是許多便攜式產(chǎn)品都必須面對電源架構挑戰的原因。
本文重點(diǎn)放在售后零件市場(chǎng)的典型商用便攜式導航系統。圖1是這類(lèi)系統的框圖。

　　系統的GPS衛星接收器會(huì )將原始數據提供給處理器，處理器則根據數字地圖信息(通常透過(guò)儲存卡提供)比對這些數據，再以圖形和數字將結果顯示在6到12公分的大型TFT屏幕。系統通常還會(huì )提供USB接口以便數據交換使用，此接口有時(shí)還能做為充電電池的電源?？刂平涌谕ǔ０|控屏幕和某些按鍵，電源供應則由一顆鋰離子電池和汽車(chē)電路系統的聯(lián)機提供。充電電池能讓消費者連續使用裝置數小時(shí)，例如行人可用它尋找特定地點(diǎn)。戶(hù)外專(zhuān)用裝置的要求則有所不同，譬如登山者或摩托車(chē)騎士就需靠著(zhù)電池在外面使用一整天。系統還會(huì )透過(guò)集成式喇叭發(fā)出語(yǔ)音導航指示。多數制造商都會(huì )使用單一技術(shù)平臺，然后增加適當功能以滿(mǎn)足不同市場(chǎng)需求。

電源管理要求

　　此處所述的應用環(huán)境基本上決定了電源管理系統設計的主要需求；除了電壓與電流外，它還要如圖1所示提供不同消費者所需的功能。系統還須采取措施監控充電電池、確保充電安全和控制屏幕亮度；另外，由于可用空間相當有限，解決方案必須很精巧。儀表板位置須能減少熱量產(chǎn)生，因為直接曝曬在夏日陽(yáng)光下會(huì )使周?chē)鷾囟壬?。接收機靈敏度是很重要的因素，它會(huì )對使用者造成直接影響。整個(gè)系統因此只能產(chǎn)生很少的電磁輻射，以避免內部干擾造成接收機的信噪比下降。一套適用不同市場(chǎng)的共通平臺架構還需要最大靈活性，以便支持硬件與軟件修改與其它附加功能。

電源管理架構的主要需求可歸納如下：
．設計精巧，零件數目很少；
．電磁干擾很??；
．靈活性設計；
．電源效率很高，熱量產(chǎn)生很少。

如何才能讓最佳架構設計滿(mǎn)足這些要求？基本上有三種不同方法，它們各有其重點(diǎn)。本文將利用市場(chǎng)上買(mǎi)得到的組件詳細說(shuō)明這些方法，然后討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
 
圖2  采用ICE3BS03LJG器件的電源待機功耗

完全集成設計

　　一種顯而易見(jiàn)的解決方案是把所有的有源電源管理功能集成至一顆芯片。圖2就以德州儀器 (TI) 的TPS65820為例說(shuō)明這種方式。這款芯片不僅有兩個(gè)降壓轉換器提供電源給處理器芯核、程序內存和閃存，還包含多組線(xiàn)性穩壓器做為儲存卡的電源供應以及衛星接收器和音頻編譯碼器的低噪聲電源。它還集成電池充電電路以及屏幕背光照明的升壓轉換器，使一顆芯片就能提供所有的電源管理功能。

　　TPS65820采用7mm×7mm QFN封裝。由于電源轉換器的開(kāi)關(guān)頻率很高，故能使用很小的電感與電容。此處的設計還將芯片的最大高度列入考慮，因此電路板的所有有源與無(wú)源元件高度都小于1毫米。
 
圖3  主動(dòng)突發(fā)模式的框圖和示意圖

　　整個(gè)模塊的設計布局相當精簡(jiǎn)。這可以是項優(yōu)點(diǎn)，只不過(guò)它需要接近正方形的電路板空間，如果布局太不規則就可能發(fā)生問(wèn)題。完全集成式解決方案的另一缺點(diǎn)是缺乏靈活性，很難同時(shí)達到不同市場(chǎng)的要求，譬如充電器對低端產(chǎn)品可能過(guò)于龐大，或者驅動(dòng)電路無(wú)法滿(mǎn)足高端系統的大型屏幕背光照明需求。完全集成式系統還可能造成應用范圍受限，例如只能用在低成本而高產(chǎn)量的市場(chǎng)。

熱最佳化局部集成設計

　　這種設計較注重靈活性，它會(huì )把平臺所有機種的相同電源供應全部結合至一顆芯片。圖4以TI的TPS65050為例說(shuō)明這種做法，它會(huì )提供電源給處理器芯核、外部?jì)却骐娐?、衛星接收器的儲存卡和模擬電路以及音頻編譯碼器。
 
圖4  在主動(dòng)突發(fā)模式下測得的波形

　　屏幕背光照明的白光LED電源是由分立組件提供，這能讓同一平臺的不同機種使用不同的屏幕。例如只要以TPS60230之類(lèi)采用電荷泵技術(shù)的解決方案取代分立式LED驅動(dòng)組件TPS61061，就能使用LED并聯(lián) (而非串聯(lián)) 的屏幕。