手機、多媒體播放器(PMP)、MP3播放器、數字相機、便攜式視頻游戲機、個人導航系統(tǒng)(PNA)等等,這些深受消費者喜愛的便攜式消費電子產品的一個基本問題是:它們的功能越來越豐富,外形尺寸也日益精巧,但電池能量密度的提高速度遠遠跟不上復雜度不斷提高的便攜式設備的功耗要求,而人們卻希望能在充電時間間隔較長的情況下,利用這些輕薄短小的便攜式消費電子享受移動娛樂和移動通訊。特別是這些產品功能的融合趨勢,例如將帶拍照和攝像功能的手機、個人數字助理(PDA)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、MP3以及視頻功能集成到一個智能手機中,進一步加劇了這個問題的嚴重性。
便攜式設備的另外一個趨勢是加入高容量的微型硬盤驅動器,從而使智能手機、PMP等擁有高密度存儲能力。所用的大部分硬盤驅動器都具有一個直徑為1英寸或更小的盤片,在盤片旋轉加速的過程中,峰值電流需求有可能高達500mA,這無疑給緊張的功率預算雪上加霜。2.5寸、3寸甚至5寸彩色LCD屏的逐漸采用也使得高效率的LED背光和LCD偏壓繼續(xù)成為備受關注的電源管理技術。此外,由于MP3、PDA、GPS設備和筆記本電腦大量使用USB接口,兼具數據傳輸和充電的單一miniUSB接口成為手機未來的發(fā)展趨勢,這也要求有新的電池管理和電源管理芯片。
幸運的是,不斷發(fā)展的電源管理技術正在滿足便攜式消費電子產品對電池使用時間、功能集成度、可靠性、外形因子以及成本這些看起相互矛盾的應用需求。例如,采用電源路徑管理技術的電池充電器IC允許在給電池充電的同時運行系統(tǒng)；結合了開關型調節(jié)器和LDO調節(jié)器優(yōu)勢的新型電源管理IC可進一步提高功率轉換效率；動態(tài)功率調節(jié)技術有效提高了負載功率的使用效率；電源管理單元(PMU)更是可以在一個很小的面積里集成了幾乎所有電源功能,最大限度地減少了電源系統(tǒng)占位面積。本文將重點討論面向便攜式消費電子產品應用的電池充電管理IC、LDO、DC/DC調節(jié)器、PMU、LED電源驅動IC等電源管理技術的最新發(fā)展趨勢和解決方案。
電源路徑管理技術滿足同時充電和負載供電需求
大多數便攜式消費產品通常都可以通過一個AC適配器、一根通用USB電纜或一節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池來供電。有時人們希望在給設備充電的同時繼續(xù)觀看視頻、打電話或者玩游戲。為滿足充電過程中的系統(tǒng)大電流需求,很可能出現(xiàn)充電電流比較小,造成充電管理指示不準確的現(xiàn)象。因此,這些電源之間的電源路徑管理非常重要。
凌力爾特的LTC3555可解決這些問題,它對AC適配器、USB電纜和鋰離子電池之間的功率路徑進行無縫管理,并遵循USB電源標準。該芯片還具有一個可提供高達1.2A充電電流的全功能鋰離子/鋰聚合物電池充電器,以及3個高效同步降壓型轉換器(用于產生大多數USB外設都需要的低電壓軌)。LTC3555的功率傳輸方法不同于現(xiàn)有的電池和電源管理IC(后者是充電器饋送系統(tǒng))。在此類系統(tǒng)中,外部電源并不直接向負載供電,而是采用AC適配器或USB端口來給電池充電,然后再由電池向負載供電。如果電池被深度放電,則在負載獲得功率的過程中會有一個延遲。這是因為在電池獲取所需的最小電荷量之前是不能夠從它那里吸取功率的。采用LTC3555可消除該延遲,從而使得便攜式設備能夠在墻上適配器或USB電源接入后立即上電。此外,該芯片還將把負載未使用的所有可用功率都用來給電池充電。
“這能帶來兩個好處,即消除充電延遲,且允許電池充電和負載供電同時進行,從而延長了應用的有效運行時間,并在與USB電纜相連時加快了充電速度。這種電源管理方法的另一項優(yōu)勢是在可以使用AC或USB電源的情況下提高效率?！绷枇柼毓井a品市場經理Tony Armstrong表示。
凌力爾特公司產品市場經理Tony Armstrong。
此外,手機充電器及接口技術的標準化符合人們的需求,單一的miniUSB接口既用于數據傳輸又用作供電,成為未來的發(fā)展趨勢。TI的單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片BQ24070正好可滿足這一需求。作為TI高集成度bqTINY-III系列充電與系統(tǒng)電源管理器件的一員,它集成了2A AC電源開關、1.5A充電FET、電流傳感器、反向阻斷保護和熱穩(wěn)壓等電池管理功能。它采用了TI的動態(tài)電源路徑管理(DPPM)技術,可為系統(tǒng)供電同時獨立為電池充電,并根據系統(tǒng)電壓動態(tài)調節(jié)充電電流。
TI公司的高性能模擬產品高級市場營銷工程師何信龍介紹道,“BQ24070支持單一的miniUSB接口,可自動選擇AC Adapter或USB供電,并可根據不同的電源選擇不同的充電速率。當電源供應不足,而充電時Wi-Fi、藍牙和手機電視等功能又需要瞬間大電流時,電池可以補充供電?！?
凌力爾特公司產品市場經理Tony Armstrong。
近年來,多功能電池電源管理IC可承擔電池充電、DC/DC轉換、電池保護、電池監(jiān)視或電源選擇功能。例如TI的TPS65800也對USB端口和AC適配器電源提供靈活的充電和系統(tǒng)電源路徑管理。它對由單芯鋰離子或鋰聚合物電池供電的應用,也具有多電源輸出和幾種電路選擇。TPS65800在獨立對電池進行充電時,還對系統(tǒng)進行供電,減少了電池的充電和放電周期。它能自動選擇USB端口或AC適配器作為系統(tǒng)的電源。在USB配置中,主機可以在預設置的100mA和500mA充電速率中選擇。IC基于系統(tǒng)負載對USB充電速率進行動態(tài)調整,以保持100mA或500mA的充電速率。
Microchip公司的MCP73811及MCP73812型(MCP7381x)鋰離子/鋰聚合物充電管理控制器,也提供全集成的充電管理功能,以及高至500mA的可選或可編程充電電流。它們兼容USB,同時配備集成電流感應、傳輸晶體管,以及板上逆向電池保護功能。MCP7381x充電管理控制器可兼容USB輸出功率規(guī)格,能夠通過大部分個人計算機上的USB端口取電,無需連接外部電源適配器。此外,這些器件具有片上熱調節(jié)功能,能在溫度超出安全水平時降低充電電流。
集成LDO和DC/DC調節(jié)器的方案平衡效率和尺寸
手機的基帶處理器傳統(tǒng)上利用LDO線性調節(jié)器供電,其優(yōu)點是在各種條件下的輸出噪聲偏差低、外部元件少、尺寸小、易使用,缺點是效率低,而且效率隨芯片組電壓的下降而降低。隨著手機功能對功率需求不斷增加,設計者正采用DC/DC調節(jié)器來代替LDO,以提高效率和維持電池壽命。盡管DC/DC調節(jié)器提供了一種高效率的替代方案,但它要成為理想的電源管理器件,還需解決尺寸、噪聲和開關損耗較大的問題。
飛兆半導體公司Bruno Kranzen經理表示,由于電池的能量或容量將難以隨著電源要求不斷提高,因此在更小的外形尺寸中提供更高效率的DC/DC轉換是有效的辦法,在這些系統(tǒng)中存在一種用開關DC/DC調節(jié)器替代線性調節(jié)器的趨勢。”
例如,飛兆半導體的高速開關DC/DC調節(jié)器FAN5350的開關頻率達到3MHz,專為手持式應用的內核處理器供電而設計。ADI公司的ADP2102是一個600mA、3MHz的降壓調節(jié)器,與微型陶瓷感應器和電容器共存時仍然可以提供高達93%的效率。
ADI公司便攜式電源產品市場總監(jiān)Arcadio Leon認為:“提高頻率可以采用較小的電容和電感,從而減少占位面積,但由于提高工作頻率也降低了總系統(tǒng)效率,所以未來的挑戰(zhàn)在于在工作頻率和形狀因子之間找到一個理想的平衡?！?伴隨開關頻率的升高,DC/DC調節(jié)器的效率優(yōu)勢會大打折扣。2MHz頻率下DC/DC開關引起的損耗占總損耗的20%,但在8MHz頻率下,開關損耗會上升到40%以上。
顯然,一種平衡效率、尺寸和成本的方法是結合開關式DC/DC調節(jié)器和LDO的新型電源管理IC,它們具有前者的高效率,以及后者的小尺寸和易用性優(yōu)勢。
比如,Micrel最近推出的電源管理芯片MIC2800提供三個電壓輸出:一個開關式DC/DC調節(jié)器輸出、兩個LDO輸出。片上2MHz DC/DC調節(jié)器可提供高達600mA的電流,效率達到93%以上,只需要微型的2.2μF輸出電容和一個2.2μH電感來穩(wěn)定電壓。該公司的電源產品市場和應用總監(jiān)Ralf Muenster舉例說,在數字多媒體廣播(DMB)應用中,若采用LDO將鋰離子電池電壓分別轉換為1.8V(給I/O供電)和1.2V(給內核供電),效率分別為50%和33%,而采用集成在MIC2800中的DC/DC調節(jié)器將鋰離子電池電壓降低到1.8V,效率為93%；然后用集成在MIC2800中的LDO將1.8V轉換為1.2V,效率為66%。另一個LDO輸出則提供第三個電壓,如2.8V的RF電壓軌。
Micrel公司電源產品市場和應用總監(jiān)Ralf Muenster。
安森美公司的NCP1526雙輸出DC/DC調節(jié)器也集成了3MHz的步降開關調節(jié)器和LDO調節(jié)器,為數字多媒體廣播(DMB)芯片組或WLAN模塊中的數字內核電路和RF電路提供電源。這種具有數個DC/DC調節(jié)器和LDO輸出的電源子系統(tǒng)有助解決翻蓋或滑蓋手機的板面布局問題,縮短從主板PMU到翻蓋PCB的電源走線,減少EMI問題。
安森美半導體產品市場營銷經理何佳漢還表示,電源管理器件不僅應顯著提高滿載工作(當前的基準為90%)下的功率轉換效率,還需降低長時間待機(當前的基準為1uA)狀態(tài)下的能耗。對于 DC/DC調節(jié)器而言,技術發(fā)展趨勢將采用更多在 PWM 模式與脈沖模式(替代純 PWM 模式)間進行自動轉換,以節(jié)省輕載工作下的能耗。
LED背光和閃光燈應用的電源需求
幾乎所有的便攜式消費電子產品都采用彩色LCD屏來顯示用戶所需的不同類型的信息和數據。LCD的背光照明一般是由白光LED來提供。另外,許多手機還擁有一個能夠拍攝高分辨率靜止圖像和視頻圖像的內置數碼相機,相機性能的提升也產生了對可供相機在室內或者昏暗環(huán)境光條件下使用的高功率白光LED光源的需求。這些都催生了以緊湊、高效和低噪聲的方式來為這些LED供電的需求。
白光LED電源IC通常為電荷泵和DC/DC調節(jié)器,兩者的主要區(qū)別在于是否需要一個電感器(磁性元件)。對于必須提供中低負載電流的空間受限型應用而言,電荷泵是一種理想的選擇,因為它們采用小外形封裝,所需的外部元件非常少。大多數升壓型DC/DC調節(jié)器則是專為提供用于白光LED背光源的高效和恒定電流驅動而設計的。
“LED電源IC的技術趨勢是集成數字控制接口,以提高操作的靈活性,如 LED 背光調光控制等?！焙渭褲h說。安森美的電荷泵NCP5602/5612/5623支持多種模式的電壓轉換,具有更優(yōu)化的功率轉換,并且在鋰離子電池的初始工作階段峰值效率高達90%,平均效率達到85%。這些器件均集成了數字控制接口(單線或 I2C),實現(xiàn)LED調光控制。NCP5608多模式電荷泵LED驅動器,既能驅動多達4個LED以支持主屏幕和副屏幕的背光功能,還可提供高電流電源,輸出電流高達400mA,以驅動1W 的LED。
凌力爾特的LTC3208是一款無電感器、高電流、軟件可配置多顯示屏LED控制器,能夠驅動17個LED。該器件包含一個1A高效率、低噪聲充電泵,可為手機的主副顯示屏、一個LED的相機顯示屏和一個LED的輔助顯示屏供電。由于該器件具有高達95% 的效率和一個I2C串行接口。
“如果面板小只需要LED背光即可,若是3.5寸屏則還需要LCD偏壓。針對小面板應用,可以把LED驅動器和LCD偏壓集成在一起,但針對大面板應用,集成LCD偏壓就比較困難?！焙涡琵埍硎?。TPS65120轉換器可滿足為便攜式電子設備中LCD模塊所需的所有電源要求。這塊單電感四輸出 DC/DC調節(jié)器可為智能電話、PDA、便攜式DVD播放器、數碼相機以及其他便攜式應用中的非晶硅(a-Si)和低溫多晶硅(LTPS)顯示器提供偏壓電源。
高功率LED的閃光亮度是獲得高質量圖片的一個因素。在某些情況下,拍照手機的LED亮度受用來驅動高功率LED的升壓型DC/DC調節(jié)器的效率的限制。這是因為從電池汲取的電流量有限,所以高效率會使提供給LED的功率更高。Arcadio Leon認為:目前的基于感應器的新型照明解決方案具有獨特的動態(tài)電流管理功能,它使得系統(tǒng)架構工程師能夠最大限度地提高供給LED的電流,從而增加亮度并大幅提高圖片質量。
ADI的ADP1653是一個基于感應器的雙白色高功率LED驅動器,它可以提供比單個或低效率白色LED驅動器亮度更高的相機閃光,這使其可在低光照條件下達到較高的圖片質量。ADP1653的峰值功效為92%,鋰離子電池全電壓范圍的典型功效高于80%。較電荷泵解決方案40%的效率,其效率得到大幅提高。
該器件采用獨特的電流管理技術,甚至在電池向多個同時工作的手機功能(如PA和LED閃光)供電的情況下也能保證圖片質量。為了降低電池電流的過載,LED的閃光電流會在手機傳輸RF信號時進行自動調整,這樣系統(tǒng)設計工程師在增加LED驅動電流時不必擔心系統(tǒng)由于電池的瞬態(tài)負載而過早地關閉。
凌力爾特的LTC3454也是一款專為在大電流相機照明燈應用中優(yōu)化效率、準確度和LED電流控制而設計的產品。LTC3454是一款同步降壓-升壓型DC/DC調節(jié)器,專為利用單節(jié)鋰離子電池以高達1A的電流對單個高功率LED進行驅動而優(yōu)化。根據VIN和LED正向電壓的不同,該器件可在同步降壓、同步升壓和四開關降壓-升壓模式之間自動切換,能在單節(jié)鋰離子電池的整個可用電壓范圍內(2.7V至4.2V)實現(xiàn)高于 90% 的效率。
PMU需要平衡集成度和靈活性
正如NSC亞太區(qū)便攜式設備電源管理產品市場經理羅振輝所說的:“在設計為了滿足客戶愿望而集成了如此多特征的便攜式設備時,尺寸是個令人頭痛的問題?！北銛y式產品有限的PCB空間,以及豐富功能帶來的多電壓需求,促使人們不斷追求集成化方案。PMU便是滿足全面滿足這一應用要求的電源管理IC。NSC、Freescale、TI、NXP等公司都推出了針對具體應用的高集成度PMU。
NSC亞太區(qū)便攜式設備電源管理產品市場經理羅振輝。
例如,NSC面向智能電話或GPS/PMP 等高端便攜式電子產品的LP3971,內置了3個可輸出高電流的DC/DC調節(jié)器及5個LDO；LP3910多輸出電源管理芯片不但內置電池充電器,而且還可支持供電路徑選擇及動態(tài)電壓調節(jié)(DVS)功能,適用于內置硬盤驅動器的便攜式媒體播放機。
Freescale的MC13783將多個系統(tǒng)整合到一個封裝中,包括一個完整的音頻系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、5個開關調節(jié)器、18個線性調節(jié)器、USB收發(fā)器、車載設備界面和觸摸屏接口等,大大減少了所需的部件數量。
TI的TPS65820不僅有兩個降壓轉換器提供電源給處理器核心、程序內存和閃存,還包含多組線性調節(jié)器作為儲存卡的電源供應以及衛(wèi)星接收器和音頻編解碼器的低噪聲電源,并集成了電池充電電路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可用在便攜式個人導航系統(tǒng)中。
NXP的PCF50626能將多功能手機、VoIP電話、便攜游戲和音樂設備以及無線 PDA的功耗降低最高達70%,它包含一個大電流充電器IC和多個電源輸出,并集成了背景照明電路和觸摸屏接口。另外,它還可以通過集成的數字接口,以軟件方式實現(xiàn)完全的控制。
但集成度非常高的PMU的一個應用問題就是布局比較麻煩,而且缺乏靈活性,難以同時達到不同市場的要求。如果主芯片的電源要求變了,則要求不同的PMU,而重新開發(fā)PMU需要數周到12個月的時間,因此PMU的開發(fā)面臨如何平衡集成度和靈活性這個問題。
圖:典型的手機架構以及電源管理需求。
“從平臺或應用角度思考PMU的開發(fā),對平臺中所有應用的相同電源功能全部集成在一顆芯片,可以平衡集成度和靈活性?！焙涡琵埍硎?。他解釋說,大多數便攜式應用的電源系統(tǒng)主要由三大塊組成,CPU等內核電源模塊、顯示電源模塊和電池管理模塊。內核電源模塊通常采用PMU為CPU、內存、外設、I/O、藍牙等無線功能供電。對于對同一類應用,內核電源模塊所需的電源輸出組數是一樣,只是針對不同主芯片型號,要求電源輸出的值可能不同,這是只要調節(jié)電壓電流大小即可滿足不同設備的內核電源要求。顯示屏幕的LED電源由離散器件組成,這能讓同一平臺的不同機種使用不同的屏幕。獨立充電器件(如前面提到的BQ24032A)可實現(xiàn)最佳的充電效率和電池管理功能,設計人員只要改變充電器件即可適應同一平臺的不同機種,比如選擇是采用大型或小型電池,或選擇是否提供USB充電功能。
基于這種模塊化理念設計的電源系統(tǒng)不會浪費電路板空間,但元件的位置更有彈性,且易于實現(xiàn)產品的差異化。TI的TPS65050就是滿足這種模塊化平臺開發(fā)理念的PMU。它集成了兩個2.25MHz降壓轉換器,以支持系統(tǒng)的內核、外設、I/O或存儲器電壓。這兩個轉換器的輸入電壓工作范圍均為2.5V至6V,這使得器件能夠在節(jié)電模式下以輕負載電流工作；當功耗降至1uA以下時,還可置于關斷模式。此外,TPS65050還集成了兩個通用400mA LDO調節(jié)器與兩個200mA LDO,每個LDO的輸入電壓范圍為1.5V至6.5V,均可通過外部輸入引腳來啟用,且均可采用其中一個集成的降壓轉換器供電或直接使用電池供電。
作者:張郴莉
（電子工程專輯）
