消費性掌上型產(chǎn)品之電源管理需求

消費性產(chǎn)品，特別是掌上型裝置近來就和許多其它裝置一樣，在復(fù)雜度上有大幅度的提高，像是關(guān)閉單槽式電池便需大量的電壓等級，或是當(dāng)電池充電時需要壁充型充電器。在這些裝備上的電源供應(yīng)必須將單一電壓等級轉(zhuǎn)換成提供不同電壓供處理器、DSP、ASIC、SDRAM、隨身碟和具備LED背光的LCD使用。除此之外，對于不同電壓的處理器、DSP和FPGA等裝備電壓等級必須低到1.2V并接近0.9V，讓系統(tǒng)的容錯度更嚴謹而且需要一種更精確的方式來保持這些電壓等級在規(guī)格之內(nèi)。在其它特別嚴苛的情況下，堆棧式白色LED背光便需要高達30V并具備精確的電流控制來依序提供10個白色LED電源。對于更復(fù)雜的案例，所有這些裝置同時間由于可靠度和節(jié)約電池壽命等原因，都必須在不同時間開啟或關(guān)閉。如果無法符合上述需求則性能會馬上降低，像是總線沖突、電池壽命縮短或是裝置被占用等不良狀況都會提高。

在移動式設(shè)計和解決方案上的設(shè)計挑戰(zhàn)可強化電池壽命，但也必須追得上系統(tǒng)改變和性能強化等條件。為了符合這些挑戰(zhàn)，目前趨勢是朝向可

 程序的多樣化輸出DC-DC電源管理裝置，并具備數(shù)字元元式控制來容許簡單的輸出電壓等級之軟件量身訂制，和電源排序需求。由于系統(tǒng)供應(yīng)需要快速改變，一種新的“平臺解決方案”可改變來符合任何型式的系統(tǒng)電源供應(yīng)需求以減輕設(shè)計者的工作。這可藉由指定一個電源區(qū)塊來達成，而這個區(qū)塊必須在不同應(yīng)用領(lǐng)域上標(biāo)準(zhǔn)化并可數(shù)字式設(shè)定到不同需求上。

多種不同電壓之DSP、FPGA、LED背光及LCD顯示等組件的大量增加，和其它在掌上型應(yīng)用裝置上所建立出的需求，將提供一種數(shù)字式可程序化電源管理控制功能，以符合急迫的大量電源供應(yīng)需求，并提供裝置在移動裝備上使用，如(圖一)所示。

《圖一　典型掌上型裝置電源管理系統(tǒng)》

 ＜圖注:典型掌上型電源管理系統(tǒng)由于電源管理是可完全設(shè)定的，若系統(tǒng)區(qū)塊改變，管理者也隨之改變。圖中共有八個電壓輸出，其中包含三個同步PWM〝buck〞降壓轉(zhuǎn)換器、一個可設(shè)定的PWM〝boost或buck〞轉(zhuǎn)換器、三個可設(shè)置的PWM〝boost〞升壓或反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、一個Low Dropout（LDO）線性整流器，和一個可完全程序化的鋰離子電池充電器。＞

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在沒有標(biāo)準(zhǔn)下如何標(biāo)準(zhǔn)化一個系統(tǒng)

當(dāng)使用一些較為復(fù)雜的掌上型系統(tǒng)，像是隨身媒體播放器、數(shù)字攝影機/靜態(tài)相機、智能型PDA/相機或手機，掌上型GPS/PDA等都使用TFT LCD和目前一些OLED屏幕，同時也增加了電源供應(yīng)的復(fù)雜性并具備大量不同的電壓需求，有時候甚至多達12種不同的需求。也由于供需的數(shù)量增加，供應(yīng)次序變成非常重要，因為累積的輸入電流要求特別集中在開啟或關(guān)閉所有供應(yīng)電源時，此外再加上電源消耗及相關(guān)的溫度上升都造成在較低電壓時緊縮的電源供應(yīng)精確性降低，這些都是讓維護可靠度難以改善而增加困難度的最主要原因。上文所談到的都被要求應(yīng)以較短研發(fā)時間、較便宜的產(chǎn)品和改善可靠度，以提供新的解決方案來處理新平臺設(shè)計上的議題。因此，讓系統(tǒng)電源管理標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點就是電源鏈接合監(jiān)控功能在跨越平臺上都會是相同的。

《圖二　電源管理方塊圖顯示在像是PDA、智能型手機或DSC等不同掌上型裝置上可能的不同電源供應(yīng)和組態(tài)?！?/p>

 為協(xié)助標(biāo)準(zhǔn)化，一個數(shù)字式可程序化供應(yīng)平臺必須具有一個模擬控制器/轉(zhuǎn)換器，來提供較固定解決方案更好的優(yōu)點以及純數(shù)字元元PWM控制。其中一個優(yōu)點就是可程序化解決方案大幅降低有關(guān)改變系統(tǒng)需求的風(fēng)險，藉由可程序化解決方案排序次序可加以修改，同時排序信道也可藉由簡化程序化控制器來以追蹤信道取代。這可盡量降低由于系統(tǒng)需求不能明確了解下所造成電路板需要更換的可能。這種可程序化解決方案也賦予設(shè)計者更高的信心能讓電路板一次設(shè)計便成功。若遭遇到問題，重新程序設(shè)計可加以解決這些問題，并針對電路板所具備的功能進行除錯和測試。在整個公司范圍的基礎(chǔ)下，程序設(shè)計解決方案也容許超越平臺的應(yīng)用，也就是現(xiàn)有的設(shè)計在簡單重新程序設(shè)計后可重新作為單獨的解決方案，模擬式PWM轉(zhuǎn)換器和LDO可讓一個較小、簡單以及便宜的裝置使用，而在芯片上具有完整的DSP。[!--empirenews.page--]

《圖三　詳細架構(gòu)顯示LED驅(qū)動器，高達10個LED可以序列方式連接；并透過I2C總線進行程序化亮度控制?！?/p>

模擬式處理也讓MOSFETS電源整合到適當(dāng)之處，同時PWM可在不同程序化頻率下操作以減少外接組件尺寸。如果依據(jù)如此進行設(shè)計，則DSP需要非常高的時脈和相關(guān)的高分辨率AD轉(zhuǎn)換器來提高精確度，而數(shù)字元元化方式也要承受有關(guān)量化錯誤的問題，一個完全程序化的電源供應(yīng)裝置具有整合式非易變性（NV）負載平衡模擬式PWM控制器來提供在任何電源系統(tǒng)上的電源管理需求。這項程序化能力可容許高性能模擬信號在處理和溫度上具有0.5％精確度，并且在基本的較低成本組件上使用一具有非易變性模擬負載平衡的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS處理。透過NV程序化/再程序化的彈性和可設(shè)定的硬件功能，以及使用一數(shù)字元式接口而具備可程序化模擬參數(shù)到系統(tǒng)和GUI研發(fā)工具上，都使得標(biāo)準(zhǔn)化很容易達成，由于這是一種模擬功能，高度整合了電源的供應(yīng)并使用可程序化電源控制來調(diào)節(jié)。

 完整的彈性，一系列的裝置均具有完整程序化電源供應(yīng)并具備整合式PWM控制器的特色，用來監(jiān)控、差異化和遞減排序以提供在掌上型電源系統(tǒng)中所有需要的電源管理需求，這一系列的裝置可設(shè)定在五個或更多信道上，而電池充電器的功能可符合大多數(shù)的需求。一個可能選項范例如(圖二)所示。系統(tǒng)可設(shè)定為具有5個電壓輸出再加上參考值，包括：可設(shè)定的同步PWM“buck”降壓轉(zhuǎn)換器，PWM“boost”升壓轉(zhuǎn)換器，PWM“buck-boost”負向DC-DC轉(zhuǎn)換器，和LDO呈現(xiàn)出±0.5％的整體精確度，并具備彈性來設(shè)計任何系統(tǒng)組態(tài)。一個IC雙線系列總線可用以程序化電壓程度和監(jiān)控狀態(tài)。

《圖四　圖形化使用者接口》

＜圖注:非可變性程序化功能非常容易進入到圖形化使用者接口（GUI）來協(xié)助輸出電壓和電流在系統(tǒng)內(nèi)的修改。所有電壓等級和故障激發(fā)都可使用窗口GUI來程序化，和一個兼容于PC的并行端口到I2C或USB序列總線程序設(shè)計，臨界的高和低值均可事先程序化而且一個簡單的I2C指令會提出并降低LED亮度。＞[!--empirenews.page--]

 
電源系統(tǒng)可用以開啟/關(guān)閉遞減式順序，而其中每一信道可指定到這四個順序位置其中之一。供應(yīng)電源也可透過I2C指令分別開啟/關(guān)閉，或是藉由一個激活插槽的插入來達到相同功能。遞減順序，和以時間為基礎(chǔ)排序不同，使用回饋來確定在下個信道啟用前的每個輸出是有效的。

 每一輸出電壓和電池會監(jiān)控是否有低電壓和高電壓情形。當(dāng)有故障發(fā)生時，所有電源供應(yīng)可能依序關(guān)閉或立即停用多重輸出狀態(tài)插銷，以用來作為通知主機處理器或其它系統(tǒng)錯誤的監(jiān)控電路使用，一個低電壓鎖定（UVLO）電路可確保IC在電池電壓未達到安全操作電壓前不同激活，UVLO的功能會展示滯后現(xiàn)象，以確保在電源供應(yīng)架上的噪音不會不慎導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
 

當(dāng)類似低電壓或高電壓狀況發(fā)生于監(jiān)控輸出或在系統(tǒng)電源供應(yīng)出現(xiàn)低電壓的錯誤時，所有監(jiān)控的電源供應(yīng)可能會激發(fā)出像是一排序電源關(guān)閉的操作之內(nèi)部錯誤反應(yīng)，或是一種立即的強迫關(guān)閉。

每個電源供應(yīng)輸出也會透過一個I2C指令在任何點個別將電源來自主系統(tǒng)電池，電池電壓會持續(xù)監(jiān)控以維持在低電壓狀態(tài)。當(dāng)達到一程序化威脅程度時，POWER-FAIL插銷（SMB112）會插入并閂上。

《圖五　電源激活串聯(lián)排序和SMB 110的臨界高/低波形》

＜圖注:注：供應(yīng)信道是以串聯(lián)排序開啟名義上的電壓，再來是臨界高或低值，然后串流排序關(guān)閉，信道1、2、3、4都是第1個臨界高值，而然后信道2和3則是臨界低值。最多可有4 PWM電源供應(yīng)被控制。＞[!--empirenews.page--]

 動態(tài)電壓控制

臨界或動態(tài)電壓控制建立三種預(yù)先程序化設(shè)定，讓每一個信道可透過一個I2C指令來設(shè)定電壓或電流改變，所有輸出可臨界超越每一信道所能夠獲得的相同可程序化范圍。當(dāng)使用一個設(shè)定為LED驅(qū)動器(圖三)的信道時，臨界值是種理想方式，其中提供三種不同亮度設(shè)定。由于零件的彈性，LED可依序列設(shè)定來提供亮度一致性或以平行設(shè)定來提供不同的亮度控制。在下列所示的范例中，可多到10個LED由增加效益信道所驅(qū)動。當(dāng)設(shè)定為一個固定電流LED驅(qū)動器時，增壓效益輸出會自動伺服輸出電壓，所以流過LED鏈接的電流會與流經(jīng)附加在COMP 1插銷上電阻的電流一樣，下述的LED電流能夠驅(qū)動10個白色LED并具有最大電流，因受限于LED所以大約是30 mA。此外，每一輸出的旋轉(zhuǎn)率會受限于數(shù)字式軟件激活電路，這是可由使用者程序化而不需要外接電容。所有可程序化設(shè)定會儲存在非可辨識登陸器中而且很容易存取和修改。

 
動態(tài)電壓控制在本質(zhì)上也是電源關(guān)鍵性應(yīng)用并具有非常動態(tài)的操作模式。在這個范例中高功率組件可由不同電壓程度的電源供應(yīng)并維持在特定狀況下，因此可明顯地大幅延長電池壽命。

《圖六　可程序化的線性鋰離子電池充電器》

＜圖注:一個可程序化的線性鋰離子電池充電器并提供多種在充電周期，由登錄器中包含了所有有關(guān)電池充電運算法則的信息，這里有程序化選項，像是最后的浮動電壓、充電電流、預(yù)先充電電流、快速充電電壓、快速充電電流、浮動電壓（0.5％）、終止充電電流、OT/UT臨界值和充電定時器。＞

 
電池充電器

鋰離子（Li-Ion）電池充電器需要三種充電模式以提供最佳性能和安全性。這些操作模式包括一個限制性電流預(yù)先充電模式以當(dāng)電池非常嚴重放電時使用，一種快速充電高電流模式，和一種固定電壓慢慢充電模式，如(圖六)。當(dāng)鋰離子電池嚴重放電時，電池充電應(yīng)以一種限制性電池充電電流開始充電。預(yù)先充電浮動電壓超過之后，電池充電電流應(yīng)由預(yù)先充電電流增加到快速充電電流?？焖俪潆婋娏饕矐?yīng)程序化，而最后的浮動電壓則應(yīng)能夠符合新的且較高容量的鋰離子電池并有較大的浮動電壓。

一旦超過了最后的浮動電壓，電池充電器應(yīng)可選擇進入一個固定電壓模式，而其電池電壓會保持固定，以讓充電電流逐漸變小。固定電壓充電模式應(yīng)持續(xù)直到充電電流降到終止電流臨界值之下。一可程序終止電流等級非常有用，因為它允許系統(tǒng)在頻繁充電以供應(yīng)較高電池容量或減低充電時間上做決定。
 
溫度偵測輸入也是必須的，以避免在充電期間過高的電池溫度。溫度監(jiān)控電路應(yīng)符合所有不同內(nèi)電阻并取消電池充電直到電池電壓降到安全操作范圍內(nèi)。
 

《圖七　可程序化電池充電器選項》

結(jié)論

新的數(shù)字式程序化電源供應(yīng)提供I2C程序化輸出電壓、開啟和關(guān)閉排序、個別電源供應(yīng)啟用控制、電池監(jiān)控和充電、在PWM輸出UV和OV監(jiān)控、臨界LED背光程度、旋轉(zhuǎn)率控制和程序化電源開啟關(guān)閉排序等功能。主動的控制DC輸出電壓程度到低及高值線之下的0.5％內(nèi)，以符合高性能組件嚴謹?shù)某e性需求，并更進一步延伸操作的可靠性，臨界電源供應(yīng)測試系統(tǒng)性能目標(biāo)以及提供一種更容易的方式來進行調(diào)整，像是亮度和容量。主動精確度控制的整合、程序化特色和預(yù)設(shè)的彈性都讓系統(tǒng)設(shè)計者建立出一種“平臺解決方案”，并且可以透過軟件來方便修改而無須進行重大的硬件改變。另外結(jié)合再程序化能力，將協(xié)助加速設(shè)計周期而且由一基礎(chǔ)設(shè)計擴散到未來新一代的產(chǎn)品線上。