用于移动微处理器的高性能、集成化电源 IC:并非仅适合便携式设备

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作者:凌力尔特公司电源产品组  Sam Nork / 波士顿设计中心总监
Jeff Marvin / 伯灵顿设计中心经理
Steve Knoth / 高级产品市场工程师


背景
飞思卡尔 (Freescale)、英特尔 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微处理器,此类仍在不断发展壮大的微处理器专为给众多无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能处理而设计。这些产品的初衷是使原始设备制造商 (OEM) 能够开发出体积较小、成本效益性更佳并具有长电池使用寿命的便携手持式设备,同时提供增强型处理性能以运行多功能多媒体应用程序。近来,对这种高效率和处理性能组合的需求也扩展到了非便携式应用领域。汽车信息娱乐系统和其他嵌入式应用所要求的效率和处理能力水平与最新的高端便携式设备相似。然而在所有的场合中,为了正确地控制和监视微处理器的电源系统、并确保利用这些处理器有可能获得的所有效率提升均能够实现,高度专用的高性能电源管理伙伴 IC 将是必不可少的,这与应用无关。

要想在不增加系统功耗的情况下实现较高的处理能力,就必需在电流不断增大的条件下降低工作电压。便携式和嵌入式系统均包括多种专为在不同的电压条件下运作 (由于应用的需要或者加工工艺线宽的原因) 而优化的元件。最终的结果是:采用最新“便携式”处理器的系统将需要许多大电流、低电压轨 —— 通常为 1.8V 或更低。除了大量的低电压轨之外,很多此类应用还需要 3V 或 3.3V 电压轨,用于给大型便携式硬盘驱动器、存储器和外部逻辑电路的 I/O 电源等供电。在汽车或嵌入式应用中,所有与处理器直接相连的电源电压均可采用高效率降压型 DC-DC 或 LDO 来产生 (视电流要求而定)。

就便携式应用而言,主电源通常是一个大的单节锂离子/锂聚合物电池,它可以具有一个高于或低于产品中的 3.3V 系统电源的电压。此类应用 (例如:手持终端、条形码扫描仪、RFID 阅读器等) 需要一个降压-升压型电源以产生 3.3V 电压轨。这些“便携式”处理器系统 (不管是否采用电池供电) 的额外复杂性包括:必需以某种特定的次序对所有电源的接通和关断操作进行排序,而且要能够根据系统的处理要求动态地进行电源电压的上升/下降调节。对系统设计师而言,由单个集成化解决方案来满足所有微处理器及相关应用电路的电源需要是一项巨大的优势。如欲在众多的应用中处理这些要求,则需要一款高度灵活、可编程和高效的多输出电源解决方案。

设计挑战
降压-升压能力
当今的大多数新式多功能电子系统仍然需要 +3V 范围的电压轨,例如:用于给汽车信息娱乐系统中的 I/O 或某个外设电压轨供电。把同步降压-升压开关操作功能集成到电源管理 IC (PMIC) 之中将在整个输入电压范围内 (2.7V 至 5.5V) 实现 3.3V 稳压和高效率,从而增加操作裕度。然而,相比于简单的降压型 DC-DC 转换器,采用降压-升压型设计来实现高效率所面临的挑战要大得多,特别是在要求低噪声和上佳负载阶跃瞬态响应的场合。

作为许多汽车电源的起点,12V 汽车电池与这些系统所需要的低噪声、稳定电源相去甚远。除了噪声以外,这种 12V“电源”还会受到反向电池情况或负载突降的影响,在这些场合中电压有可能在 -36V 至 80V 的范围内变化,甚至出现尖峰。适合这些系统的理想电源必须保护其自身和应用电路免遭上述苛刻电气条件的损坏,同时提供稳定的低噪声输出电压。汽车环境中的散热条件同样具有挑战性;即使在 85°C 的环境温度下,PMIC 的结温也有可能接近 125°C,因而要求 -40°C 至 +125°C 结温范围内的电源稳定性和坚固的过热保护功能。鉴于这些严酷的条件,通常在给 PMIC 供电之前将该系统/电池电压预先调节至 3.3V 或 5V。在许多场合中,这些中间电源会由于冷车发动和严重噪声瞬变的原因而遭到毁坏。降压-升压型电源在这里同样具有优势,可确保与处理器系统相关联的 3.3V 关键电压轨不会触发上电复位。

减少热量,优化系统效率
许多业界标准 PMIC 都具有多种内置线性稳压器。不过,如果未借助充足的铜走线排布、散热器或良好设计的输入/输出电压和输出电流水平进行正确的管理,则线性稳压器有可能在 PC 板自身上产生局部“热点”。另一方面,当输入和输出电压的差异很大和/或输出电流很大时,开关稳压器则提供了一种更加有效的降压方法。在现今具有内置低电压微处理器的多功能设备中,PMIC的使用很普遍。因此,实现针对大多数电压轨的开关模式电源的必要性正日益提高。然而,LDO 却提供了低噪声输出和卓越的电源抑制比 (PSRR) 性能,所以必须对权衡结果进行评估。在许多情况下,正确的 IC 使用分配包括 DC/DC 和线性稳压器。

事实上,如今所有的应用对系统中的热量均很敏感。随着处理性能和相关工作电流的提升,使用开关稳压器来替代 LDO 变得越来越重要。在高集成度电源中情况尤其如此,因为单通道 IC 在其功率耗散能力方面受到限制。此外,实现最佳功率耗散还要求许多内核处理电压轨根据所执行的处理操作进行动态调节。较高的电源电压是实现较高时钟速率操作所必需的。同样,对于处理密集性不太高的操作模式,非常低的电压就足够了。由于对应的电源电流往往会跟踪输入电源电压,因此以尽可能低的电源电压来运作处理器是最理想的。处理器电压电源的动态调节需要一个串行端口 (例如:I2C) 以传递变化。实际上,目前所有的高端便携式处理器均支持该功能 —— 不过,要想利用它还需要一种同样灵活和可编程的电源解决方案。

概括起来,系统设计师所面临的主要挑战包括:
 降压-升压型稳压器的集成
 在功率耗散和高集成度 (整合多个开关稳压器和 LDO) 之间实现平衡
 汽车系统的电压瞬变和极端温度
 集成动态 I2C 控制
 解决方案外形尺寸和占板面积

一款简单的解决方案
过去,PMIC 不具备处理这些新式系统和微处理器所需的足够功率。旨在满足上述电源管理 IC 设计约束条件的任何解决方案都必须拥有高集成度,内置大电流开关稳压器和 LDO、主要参数的动态 I2C 控制电路、以及诸如降压-升压型稳压器等“难以完成的”功能电路模块。此外,具高开关频率的器件还可缩减外部元件的尺寸,而陶瓷电容器则能减小输出纹波。这样的一款 IC 还必须适合苛刻的汽车环境,尽管输入电压通常取自经过预先调节的系统或电池电压。

一款适合当今 Xscale 和 ARM 处理器的高功率 PMIC
LTC3589 是一款适合 ARM 处理器和先进便携式微处理器系统的完整电源管理解决方案。该器件包含 3 个用于内核、存储器和片上系统 (SoC) 电压轨的同步降压型 DC/DC 转换器、1 个用于 2.5V 至 5V I/O 的同步降压-升压型稳压器、以及 3 个用于低噪声模拟电源的 250mA LDO 稳压器。一个 I2C 串行端口用于控制稳压器启用、输出电压电平、动态电压调节和转换速率、操作模式和状态报告。稳压器启动操作的排序通过以期望的次序将稳压器输出连接至启用引脚或通过 I2C 端口来完成。系统上电、断电和复位功能受控于一个按钮接口、引脚输入或 I2C 接口。电压监视器和有源放电电路保证在下一个启用序列之前完成一个干净的断电操作,而且,当系统必须在待机模式中保持运行状态时,选定的稳压器可以免除电源的按钮控制 (比如:存储器)。LTC3589 支持 i.MX, PXA 和 OMAP 处理器,具有8 个位于合适功率电平的独立电压轨以及动态控制和排序功能。其他特点包括接口信号,例如:同时在多达 4 个电压轨上进行编程运行与待机输出电压之间变换的 VSTB 引脚。该器件采用扁平 40 引脚 6mm x 6mm 裸露衬垫 QFN 封装。
 

图 1:LTC3589 简化方框图

高集成度 —— 支持多个高功率电压轨
LTC3589 是一款适合便携式微处理器和外设的完整电源管理解决方案。它总共产生了 8 个电压轨,用于给处理器内核、SDRAM、系统存储器、PC 卡、始终保持接通的实时时钟和硬盘驱动器 (HDD) 功能部件供电。负责给电压轨供电的是一个始终保持接通的低静态电流 25mA LDO、一个 1.6A 和两个 1A 降压型稳压器、一个 1.2A 降压-升压型稳压器和三个 250mA 低压差线性稳压器。为多个稳压器提供支持的是一种高度可配置的电源排序功能、动态电压转换 DAC 输出电压控制、一个按钮接口控制器、通过一个 I2C 接口实现的稳压器控制、以及大量的状态报告和中断输出。

LTC3589 的内部补偿、恒定频率电流模式降压型开关稳压器可提供高达 1A、1A 和 1.6A 的电流。2.25MHz 或 1.125MHz 的降压型稳压器开关频率 (包括每个降压型稳压器的相位调整) 采用 I2C 命令寄存器来单独选择。上电默认频率为 2.25MHz,并包括用于减低 EMI 的边缘速率调整。每个降压型稳压器均具有动态转换 DAC 输入基准和外部反馈引脚,以设定输出电压范围。降压型稳压器的三种操作模式 (脉冲跳跃、突发模式 [Burst Mode®] 操作、或强制连续) 采用 I2C 接口来设定。在脉冲跳跃模式中,稳压器将支持 100% 占空比。突发模式操作的优势是可在轻负载条件下实现最佳效率。强制连续模式则能够在轻负载时最大限度地减小输出电压纹波,并在电压输出设定点之间实现最佳的动态转换控制。

这款单电感器、四开关降压-升压型 DC/DC 电压模式转换器可从 2.5V 至 5V 电源产生一个用户可编程输出电压轨。通过运用一种专有的开关操作算法,该降压-升压型转换器可在输入电压高于、低于或等于所需输出电压轨的情况下保持高效率和低噪声操作。降压-升压误差放大器采用一个固定的 0.8V 基准,而输出电压由一个外部电阻分压器来设定。突发模式操作通过 I2C 控制寄存器来使能。此降压-升压型转换器无需任何外部补偿组件。

动态电压轨控制和其他 I2C 控制型功能
LTC3589 具有高端便携式应用处理器所需的 I2C 控制功能,即动态电压调节和可选的电压转换设定值。为了启用该 IC 的转换 DAC 基准操作,3 个 LTC3589 降压型开关稳压器和线性稳压器 LDO2 具有可编程的 DAC 基准输入。每个 DAC 均可在 0.3625V 至 0.75V 的范围内进行设置 (步幅为 12.5mV):

VOUT = (1 + R1/R2)•(0.3625 + BxDTVx•0.0125) (V)

R1 和 R2 形成了用于设定稳压器输出电压的反馈电阻分压器,详见图 2 和图 3。0.3625 是 5 位 DAC 基准输入至误差放大器的最小电压值。0.0125V 是 DAC LSB 步长。BxDTVx 是存储于 I2C 寄存器中的二进制代码 (十进制数值为 0 至 31)。

 
图2:LTC3589 LDO 稳压器应用电路

 
图3:LTC3589 降压型开关稳压器应用电路

可以命令 DAC 基准以 4 种可选转换速率之一在两个电压之间独立地转换。每个 DAC 具有两个单独的输出电压寄存器、电压寄存器选择、转换速率和起动控制功能。改变 DAC 输出无需启用稳压器。
图 4 示出了降压型稳压器 1、2、3 和以 4 种可能的转换速率在 0.8V 和 1.2V 之间转换的 LDO2;转换由 VSTB 引脚 (灰色) 启动。电平相隔 8 个 DAC 代码。
 
图4:LTC3589 动态电压调节变换

通用型 I2C 串行端口用于控制稳压器启用、输出电压电平、操作模式和状态报告。LTC3589 上的 I2C 串行端口包含 13 个用于控制每个稳压器的命令寄存器、1 个用于监视每个稳压器的电源良好状态的只读寄存器、1 个用于读取某个 IRQ 事件起因的只读寄存器和 1 个清除 IRQ 命令寄存器。LTC3589 I2C 端口支持任何寄存器的随机寻址,而且可采用多种 START 序列以任意次序对寄存器进行写操作。所有的寄存器均能够被回读以检验软件和硬件完整性。

结论
通过取代分立型电源 IC 组件或过度集成的传统大型 PMIC (即:具有音频、编解码器、触摸屏接口等),系统设计师将能够采用新一代的紧凑型 PMIC,此类 PMIC 集成了关键的电源管理功能,旨在以较小和较简单的解决方案来实现性能的改善。高性能移动处理器通常具有一组独特的电源要求,包括多个大电流和低噪声电压轨、可编程排序和动态 I2C 调节。这些高端处理器最初是为手持式应用而开发的,但如今正被部署于非便携式和嵌入式系统 (比如:汽车信息娱乐系统) 中。凭借诸如由凌力尔特提供的 LTC3589 PMIC 等新产品,系统设计师将能够在广泛的应用领域中充分利用来自 Freescale、Marvell、Samsung 和其他公司的新型处理器所拥有的全部节能和性能好处。