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功率技術/新能源  

可攜式媒體播放器達最高電池續航力的技巧

上網時間: 2006年03月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:可攜式媒體播放器  電池  linear  凌特  PMP 

現今消費性產品的成長趨勢,是針對行動娛樂目的之可攜式媒體播放器(PMP)的運用。PMP的優點,是能播放MP3與MP4格式媒體,因此,單一設備可用來播放DVD-CD,進而能聽音樂或看電影。為達高容量的儲存能力,許多PMP更內建硬碟機,如此讓典型的設備可以儲存超過150小時的影片、或1,200小時的音樂;然而,這些PMP的製造者正處於前所未有且持續增加的壓力下,他們在封裝這些功能於已受限空間的同時,還必須獲取更長的續航力。

由於大多數的PMP都具備影片播放與MP3播放的雙重功能,內部電子元件在各種功率位準下,需要更多低電壓輸出軌,原因很簡單:大多數數位大型積體(LSI) IC具有1.5V或更低的工作電壓,基於空間、效率與成本的限制,而以負載點(POL) DC/DC轉換將鋰電池的額定3.6V輸出電壓直接降壓至這些低電壓是不切實際的。

因此,設計者選擇了使用兩段式轉換方法做為替代,如此,他們使用一個高效率降壓轉換器,將鋰電池電壓降至1.5V,然後從這個1.5V主要軌,他們可以簡單地使用具有非常低壓差(VLDO)的穩壓器,以供電給低電壓數位LSI IC。在大多數的情況下,這是可能的,原因是低額定操作電流以及在低電壓軌間的轉換效率,可達80%到90%範圍。另一個採用VLDO的強制原因,是許多已啟動的低電壓IC對於雜訊具有相當敏感性,如此一來,從這些穩壓器所產生的輸出漣波必須小於1mVP-P。很顯然地,使用者可以輕易地將VLDO當成降壓切換穩壓器之後穩壓器使用,以確保低漣波。

圖1:LTC3455在3.3V時,輸出電流增加到1.2A的電路圖。

在PMP內使用HDD

在PMP內採用HDD的一個主要成因,是對於大容量及容易讀寫之緊密儲存的需求。PMP的一般供電,可以取自AC轉接器、USB電纜或鋰電池;然而管理在這些電源來源間的電源路徑控制,則顯現了重要的技術挑戰。直到最近,設計者嘗試著利用一些MOSFET、運算放大器等來實現此功能,但卻面臨了如熱插拔和造成極大系統問題的過大突波電流等重要問題。

大多數用在PMP的HDD會採用直徑小於2英吋的磁碟。東芝已推出一款在直徑僅為1.8英吋的單一磁碟30GB容量硬碟,日立則推出一款直徑1英吋單一磁碟的4GB微型硬碟,且直徑為0.85英吋的硬碟也即將推出。不管是哪一種情況,這些硬碟機於正常工作時,在3.3V電壓供應下,只需約300mA電流;然而在啟動瞬間,峰值電流可高達1.2A,如此對於設計一個處理如此寬廣操作電流範圍的DC-DC轉換器而言,將是相當棘手的。

大多數PMP已使用一種特殊應用積體電路(ASIC),以滿足電池充電、電源路徑管理、提供多重供應電壓,以及如真實輸出切斷和精準USB電流限制等保護功能的需求,採用這些方案的原因是很清楚的;他們可獲得滿足他們所有電源管理需求的單一設備,然而,此方法也有一些缺點。首先,ASIC是基於一特定晶圓製造程序所生產,因而很難針對這些功能的每一項去達成效能最大化。第二、且是對於要求極短化、動態化設計週期的現時環境中更重要的,是ASIC定義與研發上所相關的冗長交貨期。一顆電源管理ASIC從構想到交貨需時一年半載的情況並非不常見,此期間,針對特殊產品的設計需求,可能已改變了三次、或更多次。

圖2:載入電流與效率比

新思維方案

PMP的特性與功能,存在著一些共通性,對此一個特殊應用標準產品(ASSP)可被使用,而不會有任何與在單一晶圓製造製程生產IC時所關聯的效能折損情況。針對這些應用所需的高整合度,Linear Technology最近推出了LTC3455,這是一款無縫式電源管理元件,能在AC轉接器、USB電纜與鋰電池間做切換,並符合USB電源標準,而該元件採用4 x 4mm的小型QFN封裝。

針對電池供電應用,LTC3455也整合了一個完整的鋰電池線性充電器,可提供高達800mA充電電流,加上兩個可供大部份USB週邊設備所需的低電壓軌的高效率同步降壓轉換器,此外,LTC3455也可提供啟動重置訊號予微處理器,HotSwap輸出來驅動記憶卡以及自由放大增益器用於低電池偵測或LDO控制器。

圖1為LTC3455的應用電路圖,展示了這顆元件的多重功能運作過程。其DC/DC轉換是以降壓方式進行轉換。LTC3455晶片上兩個降壓轉換器中的任何一個都是以電流模式控制工作,在接腳選擇Burst模式操作下,效率可達96%。這些DC/DC轉換器以固定的1.5MHz切換頻率工作下,可使用小型的外部電感。

圖3

LTC3455的電源供應方法與現存的電池和電源管理IC不同,它們屬於充電器饋送系統。在這樣的系統下,外部電源並不直接供應給負載,而是將交流轉接器或USB埠電源用於對電池充電,然後電池再供電到負載,如此一來當電池處在過度放電的情況下,提供電力至負載將產生延遲,原因是電池在還未達到所需的最低電量時,將無法提供電力。

若使用LTC3455,則以上延遲情況將不會發生,因而當AC或USB電源一接上後,可攜式裝置即馬上獲得供電。此外,此晶片會將任何負載剩餘的可用電力用於對電池充電上。

該元件能去除充電延遲和同時進行電池充電與負載供電,這項特性能延展可攜式裝置的有效電池續航力,並且當與USB電纜連接時可加速充電。而此電源管理技巧的另一個優點,是無論使用的是AC或USB電源,都可提高效率。在這些情況下,電源轉換的不必要階段(即是電池充電)可被去除。

在1.2A下提供3.3V啟動HDD

在900mA的內部電流限制內,Switcher 2(請參考圖1的SW2)典型地提供一個3.3V,600mA的輸出。雖然此電流已足夠供應一般的行動電話,但如果在一個HDD存在的環境下,對於可提供超過1A的3.3V供應則是有必要的。利用加入一個微小的SOT-23 PMOS FET,和使用做為LDO用的放大增益器,LTC3455可以簡單地滿足此需求,這個3.3V輸出目前提供1.2A輸出電流,足夠符合一個HDD在磁碟啟動時所需的峰值電流要求。

圖4

Switcher 2可程式為一個3.3V的輸出電壓,而LDO則可程式為一個3.2V (3%低)的輸出電壓。只要當負載電流低至可由Switcher 2供電,例如當HDD磁碟已經轉動時,LDO則會被完全關閉。然而,當負載電流超出Switcher 2所能供應,例如當HDD磁碟需要從靜止啟動時,3.3V輸出會稍微下降而LDO則提供額外所需的電流。雖然當3.3V的輸出電流從0.5A跳到1.2A時,瞬變響應會下降,此時可加入更多的輸出電容,以改善在高電流負載跳動下的3.3V瞬變響應。

本文結論

很明顯地,可攜式媒體播放器的設計者,擁有許多可行的選擇來確保在其特殊的功能組態下電池壽命的最佳化。結合多功能的ASSP與VLDO穩壓器,可以提供所需電壓與功率位準,進而在確保正常工作下,在從電池汲取的電力達最小化的同時,還可實現最佳系統效能。

作者:Tony Armstrong

tarmstrong@linear.com

電源產品事業群產品市場經理

Linear Technology Corporation




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