为便携式产品工程师实现功耗最小化助一臂之力

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作者:凌力尔特公司电源产品部产品市场主管 Tony Armstrong


背景
电源电子行业所面临的多项挑战正呈现一种汇集之势,从而产生了一个日益突出的问题。电源系统的复杂性和性能要求不断攀升,而且产品的上市时间压力越来越大。但与此同时,该行业中的合格电源系统设计师的数量却在日趋减少。


在过去的20年里,各高校通过辛勤努力培养出了许多精通数字设计的毕业生,但在这些毕业生当中,能够从事复杂模拟设计的人却少之又少。这些因素综合起来后的结果就是在电源电子领域中形成了一个“经验缺口”。正是由于该缺口的存在,导致很多系统的面市时间被迫推迟,而且电源系统的设计欠佳。


当今的便携式电子产品设计师面临着前所未有的挑战。其中一个挑战就是对高性能电源管理系统的需求 (以适应系统复杂性的日益增加以及功率预算的不断攀升)。这些系统努力地在诸多相互冲突的目标之间寻求着某种最佳的平衡,包括:长久的电池运行时间、与多种电源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的热管理。
虽然新型锂电池技术肯定会增加能量密度,然而现状是:安全问题的增多抵消了电池能量密度的提高,从而促使人们采用包括低充电 (浮动) 电压、热调整和适宜温度充电等在内的诸多充电策略。新型电池化学组成实现了较长的运行时间,不过,它们的电压放电范围被扩大了,在电池电压低于3V的条件下具有大量的可用能量。这种特性对有关的功率转换系统产生了影响,因而使得同步降压-升压型稳压器必需产生低至3V的输出。


当今的先进手持式产品所需计算能力的提升,在很大程度上推动了用户对较高功率解决方案的需求。同时,电源轨的数目也在持续地增多。这种趋势愈发地要求人们使用多输出开关稳压器解决方案,以满足外形尺寸和效率目标,并把热耗散置于受控状态之下。此外,为了管理电池的运行时间,具有高效率 (在很宽的负载电流范围内) 和低待机 (静态) 电流的DC/DC转换器也是必不可少的。

面临的挑战
当今便携式电池供电型产品的系统设计师所面临最具挑战性的难题是:如何实现其电源管理系统的最佳设计以优化整体性能,并最大限度地延长电池的运行时间。直到最近,便携式电源系统设计师在应对这些挑战的基本方法有两种。一种选择是采用单独的元件 (各为某一项功能而优化) 来构建系统。这种方法在设计、布局和热管理方面提供了最大的灵活性,并为每项功能实现了适当的性能水平。但是,这种选择也存在着重大缺陷,这就是成本相对昂贵,而且面对用户日益增加的功能要求,采用单独元件的解决方案将需要占用大量的板级空间。


在另一种极端情况下,设计师可以从多种高集成度电源管理IC (PMIC) 中进行选择。这些器件通常支持大多数应用所需的扩展功能组合,包括开关DC/DC控制器、单片式开关电源和众多的LDO以及无关的混合信号部件 (例如:触摸屏控制器、音频CODEC等等) 的整合,这种整合是很难处理的。因此,它们使用起来会很麻烦,而且大多需要在固件方面大量投资 (仅仅为了将它们接通)。相比于性能,这些产品往往更加看重集成度,因此经常会由于把热量集中于产品内部的某个“热点”之中而导致热管理的复杂化。具有讽刺意味的是,这些高集成度解决方案还需要占用较大的电路板面积,原因是它们采用了体积大、引脚多的封装,而且,它们迫使设计师不得不在电路板布局上大做文章,以容纳所有的相关外部元件 (MOSFET、电感器、二极管和各种各样的无源元件) 以及从PMIC至整个系统内不同负载所需的全部布线。

解决方案
凌力尔特公司在其提供给便携式电源管理应用的产品中拥有众多的长处。这包括高开关频率 (高达8MHz)、高效型转换 (旨在尽可能地减少热问题)、高效率 (也可在轻负载条件下实现)、待机模式中的极低静态电流 (低至9μA) 和高集成度 (内置了MOSFET和肖特基二极管)。


此外,凌力尔特最近还推出了新型PMIC系列,它们提供了一种“具意义”的集成度,既没有牺牲性能,也不存在有可能成为障碍的所有复杂性。这些产品提供了能够决定某种便携式设备成败的功能,包括难以实现的“关乎性能”,比如:与USB OTG和汽车相兼容的电源路径控制、自主型电池充电和高效率单片式DC/DC功率转换。其他特点包括高充电电流、高开关频率和独立I/O或I2C控制。该系列的封装所占用的板级空间仅为传统PMIC的一小部分 —— 从区区9mm2至20mm2,而所需的外部元件极少,且不需要使用钽电容器。


由于其转换效率有所提升,因此与传统的线性稳压器相比,同步降压型转换器在电池运行时间方面取得了实质性的改善。这些转换器提供了90% ~ 95%的效率,从而实际上免除了增设散热装置的需要。这种效率的提升是以占用额外的电路板空间 (每个通道增加了一个电感器) 为代价的,因此必需尽可能地缩减总体解决方案的占板面积,这一点极为重要。通过把多个通道组合成一个同步降压解决方案,它们均可从单个输入电容器运作,从而最大限度地压缩了解决方案的占板面积。凌力尔特最近推出了一个多输出同步降压型稳压器系列,以提供超紧凑、高效率的解决方案。以一种采用单节锂离子电池 (VBATT起始电压为4.2V,并逐渐下降至2.7V) 的应用为例,它需要用于提供DSP内核和I/O以及存储器电源的1.2V、1.5V、1.8V和0.8V电压轨。采用3mm x 3mm QFN封装和单个输入电容器的LTC3544能够满足所有这些电压要求,从而造就了一款占板面积不到采用4个单输出同步降压型转换器时所需之1/3的解决方案 —— 而且,其待机静态电流仅为70μA。


再举一个例子,即超级移动PC内部常用的微处理器,这些微处理器具有多个必须进行正确上电 (在接通期间) 和停机操作的低电压轨。这些电压轨通常包括一个CPU内核电压、I/O和某些存储器。此外,CPU内核电压还能够视所需处理电平的不同而改变,因而要求电源动态地调整其电压以实现功耗优化。


凌力尔特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz、同步降压型稳压器,它能够从一个3mm x 3mm QFN封装提供两个600mA和两个400mA连续输出。每个通道 (包括输出电压) 均可通过板上I2C接口进行独立控制 (两个通道通过I2C,两个通道通过RUN引脚),从而使其非常适合于那些要求动态地改变输出电压的应用 (例如:微处理器)。此外,凭借其仅100μA的待机静态电流,它还能够对延长电池的运行时间有所帮助。
如前文所述,宽负载范围内的低IC静态电流和工作电流,再加上高开关稳压器转换效率,将有助于延长便携式电子产品中的电池运行时间。凌力尔特的PMIC具有PowerPathTM控制、超低静态电流和待机电流以及同类最佳的集成可编程同步降压型开关稳压器,从而轻松简单地解决了这些设计难题。


该领域中近期面市的产品是我们的LTC3554,这是一款面向便携式锂离子/锂聚合物电池供电型应用的微功率、多功能电源管理集成电路 (PMIC) 解决方案。LTC3554集成了一个USB兼容型线性PowerPathTM管理器、一个独立型电池充电器、两个高效同步降压型稳压器和按钮控制器,采用超薄型 (厚度仅0.55mm) 3mm x 3mm QFN封装。一种引脚可选待机模式可在所有输出均处于接通状态时将电池消耗电流减小至仅10μA。LTC3554非常适合于低功率便携式设备应用,包括个人导航装置 (PND)、小型便携式电子设备、媒体播放器以及手持式医疗和工业设备。


LTC3554具自动负载优先级处理功能的PowerPath管理器负责对多个输入电源之间的切换进行无缝管理,以向负载供电,同时从一个USB端口或5V墙上适配器电源来提供高达400mA的电池充电电流。输入电流限值可通过引脚来选择并在内部设定 (无需使用外部电阻器)。LTC3554可与高达5.5V (绝对最大瞬态值为7V以增强坚固性) 的输入相兼容。该器件的“即时接通”操作即使在使用电量完全耗尽的电池时也可确保系统负载供电。自主型操作简化了设计,并免除了增设一个外部微处理器用于实现充电终止功能的需要。当输入电流受限或不可用时,内部240mΩ理想二极管为负载提供了一条低损耗电源通路。该器件内置一种NTC功能,以实现适宜温度充电。

 

LTC3554两个集成的同步降压型转换器具有100% 的工作占空比,每个能提供200mA的输出电流,具有低至0.8V的可调输出电压。就灵活性而言,这两个稳压器可以独立地使能和停用。振荡器频率和对应的专利转换速率电路是引脚可选的 (1.125MHz或2.25MHz),从而允许应用电路动态地对效率和EMI性能作出权衡。高开关频率还允许使用高度不到1mm的纤巧型低成本电容器和电感器。内部低RDS(ON) 开关实现了高达95% 的效率,进一步最大限度地延长电池的运行时间。此外,突发模式 (Burst Mode®) 操作以每稳压器仅25μA (在停机模式中 <1μA) 的静态电流优化了轻负载时的效率。另外,这两个稳压器还能够在使用陶瓷输出电容器时保持稳定,因而实现了非常低的输出电压纹波。集成的按钮控制器提供了降压型稳压器排序功能和进入超低电流 (<1μA) 硬复位 (Hard Reset) 状态的途径,从而延长了电池的运行时间。
总之,针对便携式电源系统设计师所面临的最棘手电源管理难题,上述的所有产品均提供了完善和紧凑的解决方案。