面向新式 uP 的高性能、高集成度電源 IC ：打入工業(yè)和醫(yī)療市場

背景

飛思卡爾、邁威爾、ARM 和其它半導體廠商設計的高電源效率微處理器 (uP/CPU) 系列在日益擴充，目的是為多種無線、嵌入式和網(wǎng)絡應用提供低功耗和高性能的處理能力。這些微處理器產品開始時的設計意圖是幫助消費電子產品 OEM 開發(fā)電池壽命更長、體積更小和更經(jīng)濟實惠的便攜式手持設備，同時提供增強的處理性能，以運行功能豐富的多媒體消費類應用。

要實現(xiàn)更高的處理能力同時又不提高系統(tǒng)功耗，需要在電流日益提高的同時以更低的電壓工作?；蛘哂捎趹玫男枰?，或者由于工藝技術的線寬，便攜式和嵌入式系統(tǒng)都含有各種為以不同電壓工作而優(yōu)化的組件。最終結果是，采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)需要大量大電流、低壓軌，典型情況為 1.8V 或更低。除了無數(shù)的低壓軌，這些應用中很多還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅動器、存儲器、面向外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在嵌入式應用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型 DC/DC 或 LDO 產生。

近來，這種同時要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴展到了工業(yè)和醫(yī)療便攜式應用。作為最新和功能豐富的高端消費類便攜式設備，手持式數(shù)據(jù)收集設備、堅固耐用的庫存控制和跟蹤設備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式 EKG 設備以及其它便攜式醫(yī)療設備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設備必須堅固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜” 的。不過，在所有情況下，不管是什么應用，要正確控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)，并確保用這些處理器可能實現(xiàn)的所有效率優(yōu)勢，必需有一個高度專業(yè)的、高性能電源管理伴隨 IC。

就便攜式應用而言，主電源一般是大型單節(jié)鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產品中 3.3V 系統(tǒng)電源的電壓。諸如手持式終端、條碼掃描儀、RFID 閱讀器等應用需要一個降壓-升壓型電源以產生 3.3V 軌。不管這類“便攜式”處理器系統(tǒng)是否是電池供電的，伴隨它們而來的其它復雜性包括：需要以特定順序對所有電源的接通和斷開排序；視系統(tǒng)處理需求的不同而不同，要能夠動態(tài)地調高和調低電源電壓。就系統(tǒng)設計師而言，滿足所有微處理器和有關應用的電源需求的單個集成式解決方案極其有利。要在多種應用中滿足這些需求，就需要一個高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

降壓-升壓功能的設計挑戰(zhàn)

今天功能豐富的新式電子系統(tǒng)大多數(shù)仍然需要 +3V 范圍內的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統(tǒng)中的 I/O 或者外部設備軌供電。在電源管理 IC (PMIC) 中集成同步降壓-升壓開關功能后，允許跨 2.7V 至 5.5V 的整個輸入電壓范圍以高效率實現(xiàn) 3.3V 調節(jié)，從而產生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設計實現(xiàn)高效率比簡單的降壓型 DC-DC 轉換器挑戰(zhàn)性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負載階躍瞬態(tài)響應時，更是這樣。

減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

很多任務業(yè)標準 PMIC 都帶有各種內置的線性穩(wěn)壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線性穩(wěn)壓器進行正確管理，那么線性穩(wěn)壓器可能在 PC 板上產生局部的熱量“熱點”?；蛘撸斴斎牒洼敵鲭妷褐詈艽?，和/或如果輸出電流很大時，開關穩(wěn)壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內置低壓 uP 和具功能豐富的器件中，開關穩(wěn)壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關模式的電源越來越重要了。不過，LDO 提供低噪聲輸出和很高的 PSRR 性能，因此，必須評估這兩種權衡之策。在很多情況下，恰當?shù)?IC 分區(qū)包括兩種類型的穩(wěn)壓器。

今天，幾乎所有應用都對系統(tǒng)中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關工作電流的上升，用開關穩(wěn)壓器取代 LDO 變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因為單個 IC 散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執(zhí)行的處理操作的不同而不同，實現(xiàn)最佳功耗需要對很多內核處理軌進行動態(tài)調節(jié)。要以較高的時鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要動態(tài)調節(jié)處理器電壓源需要諸如 I2C 這樣的串行端口來通報所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個同樣靈活和可編程的電源解決方案。

便攜式醫(yī)療和工業(yè)儀器中的電源管理問題

如同其它很多應用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其它很多應用不同，便攜式醫(yī)療產品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運行時間和堅固性標準。這種負擔大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產品必須正確工作，而且視設計和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護設備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時最大限度地延長工作時間，并確保無論何時，只要有效電源存在，就能可靠運行。此外，功率值隨著功能和有關電壓軌數(shù)量的增加而增加。除了遙遠地區(qū)應用所需維護要少、能承受極端的溫度變化以及受到機械振動或沖擊時不會損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設備與醫(yī)療設備有很多相同的要求。

總之，系統(tǒng)設計師面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
• 集成降壓-升壓型穩(wěn)壓器
• 在功耗與多個開關穩(wěn)壓器及 LDO 的高集成度之間權衡
• 集成動態(tài) I2C 控制
• 工業(yè)和醫(yī)療設備系統(tǒng)的可靠性和堅固性要求
• 解決方案尺寸和占板面積

一個簡單的解決方案

過去的工業(yè) PMIC 沒有足夠的功率來應對這些新式系統(tǒng)和微處理器。滿足上述電源管理 IC 設計限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開關穩(wěn)壓器和 LDO；以諸如降壓-升壓型穩(wěn)壓器等難以使用的功能構件對關鍵參數(shù)進行動態(tài) I2C 控制。此外，一個具有高開關頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。

LTC3589 － 面向新式處理器的大功率 PMIC

LTC®3589 是一個完整的電源管理解決方案，面向基于 ARM 的處理器和先進的便攜式微處理器系統(tǒng)。該器件含有：3 個同步降壓型 DC/DC 轉換器，分別用于內核、存儲器和 SoC 軌；一個同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器，用于 2.5V 至 5V 的 I/O；3 個 250mA 的 LDO 穩(wěn)壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C 串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動、輸出電壓值、動態(tài)電壓調節(jié)和轉換率、工作模式以及狀態(tài)報告。以所希望的順序將穩(wěn)壓器輸出連接到使能引腳或通過 I2C 端口，可對穩(wěn)壓器啟動排序。通過一個按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口，可控制系統(tǒng)的加電、斷電及復位功能。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個使能序列之前確保一個干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如存儲器，當其必須在停機模式中保持運行時)。LTC3589 以 8 個獨立軌、恰當?shù)墓β手怠討B(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其它特點包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號，該引腳同時在多達 4 個軌上、于設定的運行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露焊盤 QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 的簡化方框圖

高集成度 － 支持多個大功率軌

LTC3589 是一個面向便攜式微處理器和外部設備的完整電源管理解決方案。它總共提供 8 個電壓軌，以給處理器內核、SDRAM、系統(tǒng)存儲器、PC 卡、始終保持接通的實時時鐘以及 HDD 功能組件供電。提供這些電壓軌的是一個始終保持接通的低靜態(tài)電流 25mA LDO、一個 1.6A 和兩個 1A 降壓型穩(wěn)壓器、一個 1.2A 降壓-升壓型穩(wěn)壓器以及 3 個 250mA 的低壓差線性穩(wěn)壓器。支持多個穩(wěn)壓器的是高度可配置的電源排序功能、動態(tài)電壓轉換 DAC 輸出電壓控制、一個按鈕接口控制器、通過 I2C 接口的穩(wěn)壓器控制以及大量狀態(tài)報告和中斷輸出。

LTC3589 的內部補償、恒定頻率電流模式降壓型開關穩(wěn)壓器提供高達 1A、1A 和 1.6A 的電流。就每一個采用 I2C 命令寄存器的降壓型穩(wěn)壓器而言，降壓型穩(wěn)壓器 2.25MHz 或 1.125MHz 的開關頻率 (包括相位) 是獨立選擇的。加電默認頻率是 2.25MHz，而且含有邊緣速率調整以降低 EMI。每個降壓型轉換器都有動態(tài)轉換的 DAC 輸入基準和外部反饋引腳，以設置輸出電壓范圍。這些降壓型穩(wěn)壓器的 3 種工作模式  ──  脈沖跳躍模式、突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作或強制連續(xù)模式  ──  用 I2C 接口設定。在脈沖跳躍模式時，穩(wěn)壓器會支持 100% 占空比。突發(fā)模式工作在低輸出負載時有利于實現(xiàn)最高效率。除了電壓輸出設定點之間的最佳動態(tài)轉換控制以外，強制連續(xù)模式還在輕負載時最大限度地降低了輸出電壓紋波。

單電感器、4 開關降壓-升壓型 DC/DC 電壓模式轉換器從 2.5V 至 5V 電壓產生一個用戶可編程的輸出電壓軌。該降壓-升壓型轉換器利用專有開關算法，以高于、低于或等于所需輸出軌的輸入電壓保持高效率和低噪聲工作。降壓-升壓誤差放大器采用一個固定的 0.8V 基準，而且輸出電壓通過一個外部電阻器分壓器設定。突發(fā)模式工作通過 I2C 控制寄存器啟動。就降壓-升壓型轉換器而言，無需外部補償組件。

動態(tài)電壓軌控制和其它 I2C 控制的功能

LTC3589 具有高端便攜式應用處理器所需的 I2C 控制功能、動態(tài)電壓調節(jié) (Dynamic Voltage Scaling) 和可選電壓轉換設置。為了使該 IC 的轉換 DAC 基準能夠工作，3 個 LTC3589 降壓型開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器 LDO2 具有可編程 DAC 基準輸入。每個 DAC 在 0.3625V 至 0.75V 范圍內都是可按照 12.5mV 步進編程的：

R1 和 R2 組成反饋電阻器分壓器，以設置穩(wěn)壓器的輸出電壓，參見圖 2 和圖 3 以獲得詳細信息。0.3625 是進入誤差放大器的 5 位 DAC 基準的最小值。0.0125V 是 DAC LSB 步進大小。BxDTVx 是存儲在 I2C 寄存器中的二進制代碼 (十進位的 0 到 31)。

圖 2：LTC3589 LDO 穩(wěn)壓器應用電路

圖 3：LTC3589 降壓型開關穩(wěn)壓器應用電路

也可以命令 DAC 基準以 4 個可選轉換率之一、獨立地在兩個電壓之間轉換。每個 DAC 都有兩個獨立的輸出電壓寄存器以及電壓寄存器選擇、轉換率和啟動控制。不必為改變 DAC 輸出而啟動這些穩(wěn)壓器。

圖 4 顯示降壓型穩(wěn)壓器 1、2、3 和 LDO2 以 4 種可能的轉換率在 0.8V 和 1.2V 之間轉換，轉換由 VSTB 引腳 (灰色) 啟動。這些值是 8 個單獨的 DAC 代碼。

圖 4：LTC3589 動態(tài)電壓調節(jié)轉換

通用 I2C 串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動、輸出電壓值、工作模式和狀態(tài)報告。LTC3589 上的 I2C 串行端口含有 13 個用來控制每個穩(wěn)壓器的命令寄存器、一個用來監(jiān)視每個穩(wěn)壓器電源良好狀態(tài)的只讀寄存器、一個用來讀取 IRQ 事件原因的只讀寄存器和一個清除 IRQ 命令寄存器。LTC3589 I2C 端口支持對任何寄存器的隨機尋址，而且可以利用多種 START 順序、按照任何順序寫寄存器。所有寄存器都可以回讀，以驗證軟件和硬件的完整性。

結論

通過取代分立式電源 IC 組件或傳統(tǒng)的、過度集成的大型 PMIC (即具有音頻、編譯碼器、觸摸屏接口等)，系統(tǒng)設計師可以用新一代集成了關鍵電源管理功能的緊湊型 PMIC、以更小和更簡單的解決方案實現(xiàn)全新的性能水平。今天的高性能處理器一般有一套獨特的電源要求，包括多個大電流和低噪聲軌、可編程排序和動態(tài) I2C 調節(jié)。這些高端處理器最初是為手持式應用而開發(fā)的，但是現(xiàn)在正用于工業(yè)和醫(yī)療市場中的嵌入式系統(tǒng)。飛思卡爾、邁威爾、三星和其它半導體廠商提供的新型處理器的優(yōu)勢是節(jié)省功率和高性能，而凌力爾特公司提供的 LTC3589 PMIC 這類新產品使系統(tǒng)設計師能夠在日益擴大的應用領域充分利用這些新型處理器的全部優(yōu)勢。