電源管理子系統(tǒng)IC及其應用

電源管理子系統(tǒng)IC及其應用

??當今，大多數(shù)消費類和移動應用的電池都是基于鋰離子技術，如鋰離子、鋰離子聚合物電池等。這類電池都具有優(yōu)異的容量性能，并具有3.3V~4.2V電壓范圍，這允許用3V額定電源的IC在系統(tǒng)中實現(xiàn)有效的電源管理。

　　隨著IC電壓需要繼續(xù)降低以使工作時間延長，現(xiàn)在很多系統(tǒng)也需要多電源和更復雜的電源管理功能。為了滿足這些要求，設計人員也習慣從多家供應商選用各種現(xiàn)成的低集成電源管理元件，以便迅速地開發(fā)產品。往往復雜電路的電源子系統(tǒng)僅包含一個或兩個電源和一些分立元件(如低壓穩(wěn)壓器LDO和降壓變換器)。

　　某些系統(tǒng)設計(特別是便攜電子設備)復雜性的增加，意味著需要更多控制，而設計人員應考慮如何使效率最佳化，靠關閉不用的功能并在多電源運行時保證穩(wěn)定和正確的工作。

　　這樣采用多個分立元件已經不夠。伴隨著設計復性的增加，需要采取系統(tǒng)級方法來設計電源管理子系統(tǒng)，在電壓產生和穩(wěn)壓的基本功能中，增加復雜性。靠增加另外的器件到已有的元件集合中，可以滿足這樣要求，而且不增大成本和PCB面積。

　　除考慮較高的集成度外，還必須考慮支持系統(tǒng)所需的整個性能。從電源管理的觀點，要求更多考慮到電源管理子系統(tǒng)所規(guī)定的功能，集成所有功能，而不影響技術性能。例如，典型的手持應用具有鋰離子電源，控制主要功能的處理器、存儲器、外部外設(如顯示)、存儲器擴展(如SD或MMC卡)和一些模塊功能(如數(shù)據(jù)轉換或傳感器接口)。這樣的系統(tǒng)根據(jù)每個功能的不同，需要一些不同的電源。處理器通常需要兩個電源——一個用于芯核的低電壓(以便節(jié)省功耗)和用于接口其他器件的較高電壓。模擬功能需要較高的電壓來保證工作范圍，或提供有力的輸出驅動能力，而隨著顯示大小和復雜性的增加，顯示驅動器需要較高的電壓。

　　集成的電源管理子系統(tǒng)應該考慮的其他問題包括：

　　·接通系統(tǒng)的方法：采用機械開關還是電子方法？接口如何連接到控制器(典型的例子是雙功能開關，它把電源和其他功能結合在一起)。
　　·電池電源超出范圍(欠壓或過壓)。
　　·各個電源的排序：多電壓的一個問題是需要首先激勵最高電壓的電源，以防IC閉鎖。
　　·永久激勵的電源是否需要休眠功能。
　　·不去掉電池關閉系統(tǒng)。
　　可以針對這些問題采用標準元件，如POR(通電復位)電路、電池監(jiān)控IC和PLD(可編程邏輯器件)。然而，系統(tǒng)增加元件會增加成本和增大PCB面積。

　　電源管理子系統(tǒng)IC

　　電源管理子系統(tǒng)IC(PMIC)能集成更多的功能，它處于簡單功能器件(如低壓穩(wěn)壓器LDO或開關轉換器)和復雜的系統(tǒng)芯片IC(包含電源管理等很多功能)之間。

　　PMIC(圖1)的目的是為鋰離子供電的便攜應用提供核心功能，為最大電池壽命提供有效的工作。核心功能通常是高效率降壓轉換器和若干低靜態(tài)電流LDO。

　　典型系統(tǒng)中的PMIC示于圖2，需要注意幾個不同的外部問題。例如，電源管理需要直接與電池(一般是單個鋰離子電源)接口，而工作時有沒有控制器產生和控制若干系統(tǒng)電源。在最簡單的系統(tǒng)(沒有控制器，但需要多個電源)中，加一個合適的電池電壓和使能信號將啟動器件，激勵所有的穩(wěn)壓器。PMIC可以繼續(xù)工作，直到用戶用ONKEY引腳關斷器件或發(fā)生錯誤條件為止(如低電池電壓)。

　　從控制和可編程性觀點看，關于穩(wěn)定輸出電壓的選擇越多，靈活性就越大。通過專門引腳，用簡單控制接口到微控制器是一種簡單的選擇，通過I2C總線用更全面地控制，可以提供可編程輸出電壓。

　　通常，PMIC包含若干LDO穩(wěn)壓器、DC-DC降壓轉換器和其他功能。

LDO電壓穩(wěn)壓器是電源管理系統(tǒng)的中心部分，能為系統(tǒng)中其他IC產生穩(wěn)定、低噪聲電源電壓。LDO的重要性能參量是電源抑制比(PSRR)和靜態(tài)電流，后者將直接影響待機時間。每個穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流似乎是小的，但系統(tǒng)中有多個穩(wěn)壓器和其他功能加起來會增大10或20倍，這會變得很大。

　　PSRR是干擾電平的量測，一旦發(fā)生穩(wěn)壓，PSRR仍然呈現(xiàn)在電源線上。若這種瞬態(tài)不能被抑制，則它們會呈現(xiàn)在音頻頻段，成為不舒服的音調。另外的情況是會添加對RF信號的調制，這可能導致假的傳輸，而需要另外的濾波來去除它們。

　　為了在寬頻段達到高PSRR，LDO誤差放大器通常具有偏置電流校準，用于最壞工作條件下校準最高輸出電流。隨著偏置的固定和與電流定位無關，這會導致放大器過偏置和消耗比低電流定值所要求的更高靜態(tài)電流?；诖嗽?，高性能LDO設計通常需要有低功率休眠模式，以降低低電流定值下的低效率。

　　Dialog Semiconductor 公司的專利是解決此問題的獨特方法，是采用稱之為Smart Mirror LDO穩(wěn)壓器的設計技術，這種穩(wěn)壓器比當今所用的其他穩(wěn)壓器具有更佳的PSRR性能。
　　Smart Mirror 穩(wěn)壓器鏡像返回到偏置產生器的輸出電流定值，使偏置隨定值下降而自動降低并給出動態(tài)的靜態(tài)電流控制(見圖3)。這種方法所設計的穩(wěn)壓器在寬工作電流范圍具有高PSRR和動態(tài)性能，這不受所有條件(最大負載除外)下過偏置設計折衷考慮的限制。具有自動自適應偏置控制，消除了所需的低功率工作模式和任何用戶干預開關到低電流定值的低功率模式。

　　采用此技術提供10mA的LDO通常具有99%電流效率，耗電低于20μA。另外，電源抑制在較高帶寬(217Hz)下具有較高性能。
Smart Mirror穩(wěn)壓器的PSRR大于80dB，在10KHz其PSRR仍然高于60dB。

　　非常高集成度的PMIC除集成多個高性能LDO外，通常包括高效率可編程輸出電壓的降壓轉換器，單獨可選擇的LED驅動器、可編程電池充電器，音頻驅動器和其他功能。

降壓轉換器改善了電路效率和降低了功耗。帶集成開關的DC-DC降壓轉換器可為基帶電路提供高電流、低電壓電源，用同步和異步模式，保證在寬電流定值范圍內的效率，其電源效率大于90%。顯然，這對于移動手機的待機時間和通話時間是一個沖擊。

　　典型應用

　　便攜煤體播放機

　　隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設計隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設計人員的任務變得更復雜，采用簡單的電源管理方案成為整個系統(tǒng)開發(fā)周期的一個關鍵因素。

　　一個基本的PMIC適合于低功率系統(tǒng)，如便攜媒體播放機(見圖2)，這種系統(tǒng)一般包括數(shù)字和模擬功能，而且，系統(tǒng)中采用先進的微控制器或DSP，從而需要分離的芯核和外設電源。實際上基本的PMIC可以用在采用單個鋰電池或3·3V電源的系統(tǒng)，例如，很多計算機接口(如PCMCIA、SD、MMC、Compact Flash和mini PCI)中。

　　PMIC提供基本的系統(tǒng)級電源管理方案，能處理ON/OFF控制，電源定序和電池監(jiān)控，使得PMIC成為較復雜系統(tǒng)的核心。用標準元件可以增加另外的功能(如附加的穩(wěn)壓器或電池充電)，使設計人員能快速地配置一個完整的系統(tǒng)。

　　移動手持裝置

　　具有較高集成度的PMIC可以為移動手持裝置中的應用處理器(如Intel PXA27×處理器)和通信處理器提供所有的電源管理功能(見圖4)。

　　在系統(tǒng)中，PMIC提供電源，電池管理和有效設計的休眠模式功能并支持顯著節(jié)省功率的無線Intel SpeedStep 技術。

　　PMIC的高集成度與等效的分立元件方案相比，能顯著地降低整個系統(tǒng)的成本和大小。應用處理器控制與外設功能有關的整個系統(tǒng)，而通信控制器突出在無線通信部分的控制。

　　應用處理器和PMIC可以互連構建一個帶少量附加元件的有效電源系統(tǒng)。

　　大多數(shù)手持系統(tǒng)要求以最低的功耗工作，以便保持較長的工作時間。集成PMIC可提供幾種工作模式：電源中斷、上電啟動、激活和休眠，具有小的形狀因數(shù)以及最小PCB面積。