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功率技術/新能源  

利用新興電源管理技術設計消費性電子電源

上網時間: 2006年02月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CE  消費性電子  PMIC  電池管理IC  ASSP 

目前的可攜式消費性電子產品需要更短的充電時間、穩定的電壓和可靠的電池監測功能,高效的PMIC必須以適於消費性電子的小型封裝提供低廉而通用的解決方案,並配以最佳的性能和最高的效率來為系統設計人員提供更高的價值。

隨著CMOS技術不斷向深次微米發展,高度整合的電路同電池續航能力方面的顯著進步共同迎來了消費性電子設備的新時代,並開創了無限的可能性。要實現高度整合,就需要我們採用先進的電源與系統管理技術在更小型的封裝中處理更高的電流以及更低的系統電壓,這進一步加大了對散熱管理的要求。此外,隨著越來越多的系統實現了可攜性,電池供電的重要性也日益提高。我們必須能夠監控系統性能,提高系統效率,並盡可能延長電池的使用壽命,同時不管電池具有何種化學特性,均應實現快速充電,這都是消費性電子產品開發商所要面臨的新挑戰。為了適應設備小型化的空間尺寸要求,並滿足功能升級的需要,電源、電池管理及專用系統功能均要求高度整合的高階解決方案,這些都是成功展開消費性電子系統設計所應解決的重大問題。

目前消費性電子應用中的電源管理與供電系統非常先進、複雜。從傳統上來說,我們將不同的系統功能分開來考慮、設計並加以整合,供電與管理通常是隨後才考慮到的問題。在許多情況下,我們都採用不同的穩壓器,根據產品功能數量的不同,設備中不同的穩壓組件可能多達10個乃至20個。這樣的‘電源管理’及供電技術成本不菲、效率低下、佔用的板級空間也很大,上述問題都會妨礙消費性電子應用目標的實現。

對於可攜式產品設計工程師而言,高度整合的數控電源及電池管理IC(PMIC)將成為尖端可攜式產品系統級發展策略中至關重要的部份。系統成本可望不斷降低,同時靈活性與可靠性也可望提高,這些積極因素都推動著數控PMIC的開發。

利用‘升-降壓’技術延長電池壽命

就功能豐富的可攜式應用而言,延長電池使用壽命的關鍵在於設計高效的電源電路,並實現智慧的電源管理。這種電路正從簡單而效率低下的穩壓器電路逐漸發展成為交換式穩壓器組件。這種過渡對低壓應用尤其重要,這也是消費性電子市場的推進力量。透過交換式穩壓器可實現更高的效率,這一點也受到機械設計人員的歡迎,因為效率的提高會降低散熱要求。同時,隨著外部濾波組件的小型化,相同的特性和功能所需的封裝也越來越小。但是,交換式電源也確有其弱勢,用於產生所需電壓(並為低壓組件供電)的脈寬調變(PWM)總會為敏感的電路帶來更多噪音。此外,這種拓樸還會在輕負載情況下降低效率。

圖1:鋰離子電池放電曲線。

消費電子應用領域的另一項發展也很引人注目,這就是‘升-降壓’穩壓元件的採用。許多電池供電的應用都需要這種穩壓器,因為鋰離子電池供電的系統具有VBATT電壓特性(見圖1),也由於應用所採用的許多IP塊都是3.3V的核心邏輯元件。當VIN大於降壓模式(VOUT)時,‘升-降壓’調壓器作為線性穩壓器發揮作用,不過當VIN下降至低於某一特定閾值時,又會過渡成為升壓穩壓器。

就鋰離子電池系統而言,電池完全充電以支援降壓工作時,能夠提供充足的電壓。不過,隨著電池電量的消耗,電池輸出會下降,到某一時段我們就必須採用升-降電路的升壓模式來提高電池電壓,並根據整體設備規格要求為負載的核心邏輯元件提供適當的電壓。

ASSP電源管理IC

我們為支援電源管理而設計了專用標準產品(ASSP),在IC中實現了高度整合和數位可程式功能,並有助於縮短最終產品的系統設計進程。

電源管理ASSP能夠方便地實現有關功能,沒有它的幫助,我們就不得不採用定製的專用積體電路(ASIC)或合成使用多個單一功能分離元件。ASSP PMIC有助於節約系統製造商的時間,並降低資源消耗與機會成本,進而減少印刷電路板(PCB)的空間佔用和系統級成本。

適用於可攜式產品應用的PMIC需要提供配套的功耗、電池與重置監控功能。數位控制可加強抗噪能力,並實現對功率因子校正與轉換的動態管理,以前這些功能因為過於複雜,都很難採用完全類比的方式來實現。

通常說來,電源設計人員都具有多年的類比控制系統工作經驗。他們在類比方面的工作經驗使得其頭腦中形成了類比設計思維定式,要解決這個問題,就要讓他們充分了解高整合度數控可程式電源管理元件的優勢,它們能以更小的封裝實現更高級的系統管理。可攜式消費性應用的印刷電路板面積不斷減少,這推動了對更高整合度的需求。

可攜式消費性電子應用通常都需要低功耗特性來實現更長的電池使用壽命。鋰離子和鋰聚合物電池是目前消費性電子應用普遍採用的技術。系統工作電壓最低已降至2.7V,接近電池工作點的極限,可最大化設備工作時間。

不過,由於所有電池應用基本都面臨電池容量的問題,因此電源管理是所有電子系統必須要解決的內在問題。就此而言,為了實現獨樹一幟的系統級性能,電源管理是不可或缺的環節,因為只有透過消費性電子系統的調節,才能將難以預計的、有時甚至是噪音很大的電源轉變為穩定、持續、準確且獨立於負載的電源電壓。

消費者希望延長電池使用壽命,同時又不致增加尺寸。我們必須在更小的封裝中加入更多的功能,而且功耗還要更低,這凸顯了電源管理設計關鍵性作用。我們之所以在PMIC上整合盡可能多的功能模組,顯然是為了節約成本,縮小設備尺寸,特別是要針對高銷量的標準產品實現高度整合技術。整合技術可為多種電池供電的手持設備(如行動電話、PDA、MP3播放器及數位相機等)提供單晶片的電源管理解決方案。

新興的PMIC架構

PMIC是與應用處理器或控制器IC協同工作的混合訊號配套晶片。應用處理器或控制器能夠提供大量的數位介面及軟體功能,而PMIC則可為相應的消費性電子應用提供配套的供電、電池與重置管理。PMIC通常包括即時時脈和一些喚醒功能,因而能實現高效的系統級深度休眠狀態。這些特性可利用主機控制器透過廉價的業界標準型I2C串列介面配合一些專用的通用輸入輸出(GPIO)接腳來控制。我們用智慧中斷系統向主機應用處理器或控制器發出有關眾多電源管理事件的訊號。

在新興的消費性電子應用中,PMIC(圖2)通常提供以下功能:

1. 鋰離子和鋰聚合物電池的電池充電和電池管理功能;

2. 電池和系統溫度檢測;

3. 重置管理;

4. 多種可程式低壓降穩壓器;

5. 可控制低壓系統電路的交換式穩壓器;

6. 適用於USB或IEEE1394設備的一系列DC/DC轉換器和控制電路系統;

7. PWM輸出;

8. LED驅動器輸出;

9. 具警告功能的即時時脈電路;

10. 通用輸入和輸出均支援系統喚醒;

圖2:新興的消費性電子產品典型的電源管理系統架構。

11. 各種可程式減法計數器和加/減法計數器;

12. 偽非揮發性參數記憶體,這種記憶體始終處於工作狀態,儲存關鍵的系統資訊。

低成本的CMOS製程

矽晶片製程技術對開發消費性電子市場中的低功耗電子組件發揮著重要作用。在實現系統所需的高階類比和數位功能時,上述組件的待機和工作功耗必須都要很低。傳統的電源管理元件都採用BiCMOSBiPolar製程製造,而新型元件則採用標準次微米CMOS製程製造。這種發展趨勢相當重要,因為CMOS技術專為低功耗而最佳化,其適用範圍不斷擴廣,這有利於元件小型化,推動成本降低並實現最佳化的功能。

PMIC通常包括電源時序邏輯單元(PSLU)。PSLU根據設計可控制多種功能以實現系統電源管理,如多種電源的上電或斷電特性;電池充電電源;為低壓降穩壓器(LDO)生成低噪音、溫度穩定的基線所需要的內部電壓參考,以及其它調節功能等。

利用業界標準的雙線I2C串列介面可接取設備控制和配置暫存器。該介面使微處理器能夠完全控制系統電源管理功能,並幫助系統設計人員最大化待機時間與播放時間。我們透過中斷訊號和狀態暫存器來實現故障報告功能。

電池充電管理模組包含內部充電控制功能,可實現單體鋰離子電池的高效充電。該模組能夠與連接至PMIC元件接腳的外接電源協同工作,可安全地調節近於完全放電的電池,向電池提供用戶可程式的電流,使電池達到完全充電後的電壓水準。

從封裝的角度看,晶片設計人員必須選擇盡可能小的封裝,以節約板級空間,努力為最終用戶降低整體生產成本,並使應用限制在低於1毫米的z高度內,同時還要避免出現散熱問題(圖3)。如果需要外部組件對設備進行類似的控制,那麼我們也必須考慮到這些外部組件的z高度問題。

作者:Steven E. Strauss

Tony Grewe

Agere系統公司




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