1 前言
筆記本電腦系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其架構(gòu)包括：主電源，I/O電源，DDR電源，圖形電源，電池充電器，電源開關(guān)，電量監(jiān)測計，顯示屏電源，適配器電源，系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)，音頻功率放大器，接口等。
圖1 筆記本電腦系統(tǒng)架構(gòu)
對于系統(tǒng)集成商和設(shè)計人員或使用者來說，了解熟悉上述筆記本電腦解決方案至關(guān)重要，因為這大大有利于提升筆記本電腦性能價格比與產(chǎn)品質(zhì)量及系統(tǒng)的維護(hù)。為此，本文將對筆記本電腦解決方案中各個部分的選用電源特性作分折說明。
2 主電源選用
主電源采用5個輸出的電源芯片，以TPS51120為例作分析說明。
TPS51120是用于筆記本電腦的5個輸出全面的主電源解決方案。2個輸出是高效DC/DC控制器，用于提供5V和3.3V主開關(guān)電源軌。這些轉(zhuǎn)換開關(guān)具有偽固定頻率和自適應(yīng)接通時間控制。TPS51120提供了兩種控制方案：D-CAP模式和電流模式。D-CAP模式最簡單，可提供最快的瞬態(tài)響應(yīng)，不需要任何環(huán)路補(bǔ)償。電流模式需要簡單的環(huán)路補(bǔ)償，支持陶瓷輸出電容器設(shè)計。另外，TPS51120有兩個LDO輸出，分別設(shè)置為5V和3.3V，能夠支持100mA負(fù)載。這些LDO在啟動期間使用，并在5V和3.3V轉(zhuǎn)換開關(guān)加電之后提供穩(wěn)定的切換。第5個輸出是一個可支持50μA的2V基準(zhǔn)電壓，通常用作筆記本電腦中的準(zhǔn)確基準(zhǔn)電壓。為了確保優(yōu)化易用性，TPS51120為每個轉(zhuǎn)換開關(guān)都配備了獨立的電源狀態(tài)良好指示信號并為每個轉(zhuǎn)換開關(guān)和LDO配備了獨立的使能信號。這整個解決方案裝在一個小小的5mm×5mm×5mm QFN32封裝中。
圖2 TPS51120應(yīng)用方框示意圖
⑴主要特性
集成5個輸出，可選D-CAP模式或電流模式，可選溫度補(bǔ)償RDS(on)/電阻OCP，固定PWM或自動跳過模式工作，固定值軟啟動或可從外面調(diào)節(jié)，完全集成軟關(guān)閉，獨立的轉(zhuǎn)換開關(guān)和LDO使能端,獨立的電源狀態(tài)良好指示信號，集成升壓二極管，4.5V至28V輸入電壓范圍，封裝5mm×5mm QFN32。
⑵5個輸出全面的電源芯片的優(yōu)點
全面的主電源解決方案，支持100ns以下瞬態(tài)響應(yīng)和陶瓷輸出電容器，靈活的OCP，最適合無損或準(zhǔn)確檢測，最適合比較高的輕負(fù)載效率，最適合電源定序并且易于使用，可獨立監(jiān)控每個開關(guān)軌，支持5V、12V和19V輸入，封裝適合小解決方案尺寸。
3 用于系統(tǒng)I/0的優(yōu)化電源的二種方案選用
3.1 以TPS51124芯片為例作分析說明
TPS51124是適用于筆記本電腦的雙路DC/DC控制器。2個輸出是高效可調(diào)節(jié)DC/DC控制器，用于提供I/O電源軌。這些轉(zhuǎn)換開關(guān)具有偽固定頻率和自適應(yīng)準(zhǔn)時控制。已在尺寸和易于使用方面對TPS51124進(jìn)行了優(yōu)化，從而提供了使用非常方便的解決方案，沒有添加額外的外部組件的負(fù)擔(dān)。這種優(yōu)化通過D-CAP模式實現(xiàn)：該模式是最簡單的控制模式，它支持最怏的瞬態(tài)響應(yīng)并且不需要任何環(huán)路補(bǔ)償。另外，每個轉(zhuǎn)換開關(guān)的軟啟動時間都是集成的，通過集成軟啟動時間、支持低側(cè)RDS(on)僅檢測電流(OCP)、集成轉(zhuǎn)換開關(guān)升壓二極管和一直具有跳過模式選項以使效率最高的部件來取得優(yōu)化效果。TPS51124也為每個轉(zhuǎn)換開關(guān)配備了獨立的電源狀態(tài)良好指示和使能端引腳。這個經(jīng)過優(yōu)化的解決方案裝在一個4mm×4mm QFN-24封裝中。
⑴主要特性
優(yōu)化雙路輸出，固定D-CAP模式，偽固定頻率和自適應(yīng)準(zhǔn)時控制，低側(cè)RDS(on)無損電流檢測，固定內(nèi)部軟啟動時間和跳過模式工作，完全集成軟關(guān)閉，集成升壓二極管和獨立的電源狀態(tài)良好指示信號，3V至28V輸入電壓范圍，封裝：4mm×4mm QFN-24。
⑵優(yōu)點
外部組件很少，能支持100ns以下瞬態(tài)響應(yīng)，己進(jìn)行了優(yōu)化以取得最佳性能并且解決方案尺寸很小，無損OCP省去了外部電阻，最適合比較高的輕負(fù)載效率，最適合電源定序，輸入電壓范圍非常寬,可支持3.3V、5V、12V和19V輸入，封裝適合小解決方案尺寸。
3.2 專為臺式機(jī)、桌面筆記本、圖形卡和機(jī)頂盒優(yōu)選的簡單、廉價型DC-DC控制器
MAX8545和MAX8546具有2.7V至28V輸入，無損ISENSE，折返式限流，其電壓模式、300kHz PWM降壓DC-DC控制器具有強(qiáng)勁的2.5gl(典型)柵極驅(qū)動器，適合于1A至15A應(yīng)用。無損檢流和折返式過流保護(hù)(降低功耗達(dá)80%)提供了一個高可靠、低成本的方案。它們具有極寬的輸入電壓范圍，省掉了額外的偏置電源。是3.3V/12V PCI-EXPRESS設(shè)計，可工作于墻上適配器。
圖3 MAX8545引腳與應(yīng)用示意圖
4 DDR電源選擇
4.1 VDDQ、VTT和VREF的全面電源解決方案配置
TPS51116是一套完整的DDR電源解決方案芯片。轉(zhuǎn)換開關(guān)用于為VDDQ電源軌提供高效輸出，并且具有偽固定頻率和自適應(yīng)準(zhǔn)時控制。TPS51116提供了兩種控制模式：D-CAP模式和電流模式。D-CAP模式最簡單，可提供最快的瞬態(tài)響應(yīng)，不需要任何環(huán)路補(bǔ)償。電流模式需要簡單的環(huán)路補(bǔ)償并支持陶瓷輸出電容器設(shè)計。TPS51116集成了高性能LDO，該LDO為VTT軌提供電源?？梢愿腖DO的輸入以優(yōu)化總功耗，并且它能夠驅(qū)動或吸入3A電流。另外集成了用于VREF的緩沖基準(zhǔn)電源軌。此輸出能夠支持10mA的滿負(fù)載。TPS51116集成了全面的S3和S4/S5狀態(tài)控制。輕松地將這些引腳連接至S3和S4/S5信號就可以在S3中支持high-Z并在S4和S5中支持軟啟動關(guān)閉。這整個解決方案采用4mm×4mm QFN-24封裝或HTSSOP-20封裝。
圖4 TPS51116典型應(yīng)用方框圖
⑴主要特性為集成VDDQ、VTT和VREF軌，可選D-CAP模式與可選電流模式，偽固定頻率和自適應(yīng)準(zhǔn)時控制，可選溫度補(bǔ)償RDS(on)/電阻OCP，固定PWM或自動跳過模式工作，集成S3和S4/S5狀態(tài)，電源狀態(tài)良好指示信號，集成升壓二極管，封裝：4mm×4mm QFN-24或HTSSOP-20。
⑵優(yōu)點：全面的DDR電源解決方案，支持100ns以下瞬態(tài)響應(yīng)，支持陶瓷輸出電容器設(shè)計，已進(jìn)行了優(yōu)化以取得最佳性能并且解決方案尺寸很小，靈活的OCP，最適合無損或準(zhǔn)確檢測，固定軟啟動值省去了輸出電容，在S3中支持High-Z，在S4/S5中支持軟件啟動關(guān)閉，VDDQ輸出的電源狀態(tài)良好指示監(jiān)視器，封裝適合小解決方案尺寸。
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4.2完整的DDR方案以更低的成本提供VDDQ、VTT和VREF并省去大尺寸電容
DDR方案100ns瞬態(tài)響應(yīng)降低了電容器的尺寸和成本。以MAX8550A作說明。MAX8550A降低了VDDQ和VTT電源中輸出電容的尺寸和成本，使其成為更低成本的DDR存儲器電源方案。MAX8550A還具有最高至28V的寬輸入電壓范圍。VDDQ電源是一個±12A的DC-DC控制器，采用Quick PWM快響應(yīng)架構(gòu)，能夠在100ns內(nèi)響應(yīng)負(fù)載瞬變，降低了輸出電容要求。VTT電源是一個內(nèi)置的高帶寬LDO，具有±1.5A的吸收—源出能力(峰值±3A)，只需40μF的輸出電容。保護(hù)功能包括欠壓(UVP)、過壓(OVP)、過流和數(shù)字軟啟動。VTT參考LDO可輸出最高20mA。所有使能控制相互獨立。
完整的DDR電源為一路寬輸入(2V-28V)，三路輸出(VDDQ-0.7V至5.5V，±12A;VTT-1.25V，±1.5A典型值±3A峰值，VTTR-1.25V，20mA)。圖5為MAX8550A引腳功能與應(yīng)用示意圖。
圖5 MAX8550A引腳功能與應(yīng)用示意圖
5 圖形電源的特性
GFK內(nèi)核的電源解決方案，以TPS51117為例作分析說明。
TPS51117是在筆記本電腦中提供電源的單個DC/DC控制器。開關(guān)輸出是高效、可調(diào)節(jié)DC/0C控制器，最適合為圖形內(nèi)核提供電源。此轉(zhuǎn)換開關(guān)具有偽固定頻率和自適應(yīng)準(zhǔn)時控制。最簡單的控制模式D-CAP模式，支持圖形內(nèi)核所需的最快瞬態(tài)響應(yīng)并且不需要任何環(huán)路補(bǔ)償。另外，TPS51117提供了PWM和跳過模式，并且支持無損OCP檢測。TPS51117在3.5mm×4.5mm QFN-14或TSSOP-14封裝中提供。圖6為TPS51117應(yīng)用示意框圖。
圖6 TPS51117應(yīng)用示意框圖
與TPS51116相比有共同之處，也有不同點。其不同特性為：固定內(nèi)部軟啟動時間;1.8V至28V輸入電壓范圍;封裝：3.5mm×4.5mm QFN-14或TSSOP-14。
同樣其優(yōu)點也有不同：輸入電壓范圍非常寬，支持2.5V、3.3V、5V、12V和19V輸入。
6 新型筆記本電池充電器特征，最高開關(guān)頻率的筆記本電池充電器MAXl7005應(yīng)用
MAXl7005是低成本的可編程電池充電器，器件采用1.2MHz開關(guān)頻率，可減小電感和電容的尺寸。此外，MAXl7005還采用N溝道適配器開關(guān)，可自動選擇采用適配器和電池供電和PWM/模擬可調(diào)充電電流以及超小尺寸、高效的電感和電容，降低了BOM成本。圖7為MAXl7005電池充電器應(yīng)用示意圖。圖中蘭色陰影線為功率回路。
主要特征：1.2MHz開關(guān)頻率;受控的電感電流紋波架構(gòu)，降低了BOM成本;充電電壓精度為±0.5%;輸入限流精度為±2.5%;充電電流精度為±3%;輸入限流監(jiān)視輸出精度為±3%;模擬/PWM(128Hz至1MHz)可調(diào)的充電電流設(shè)置;可調(diào)的1至4節(jié)電池電壓;逐周期限流模式控制，可保護(hù)電池免受短路和系統(tǒng)負(fù)載瞬態(tài)的影響，快速響應(yīng)，用于脈沖充電;可編程充電電流(小于6A);8V至26V輸入電壓范圍。
圖7 MAXl7005電池充電器應(yīng)用示意圖
7 電源開關(guān)特點
7.1 16位至8位SPDT千兆LAN開關(guān)TS3L500
TS3L500是具有單選(Sel)輸入的16位至8位多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器LAN開關(guān)， 它控制多路復(fù)用制多路解復(fù)用器的數(shù)據(jù)路徑。提供了額外的I/口供切換狀態(tài)指示LED信號之用。TS3L500提供了低而平坦的導(dǎo)通電阻Ron和極佳的導(dǎo)通電阻匹配。低輸入/輸出電容、高帶寬、低偏移和通道之間的低串?dāng)_使得此器件適合各種LAN應(yīng)用，如10/100/1000Base-T。TS3L500可以用來替代LAN應(yīng)用中的機(jī)械繼電器。它也可以用來將來自10/100Base-T的以太網(wǎng)收發(fā)器的信號路由至膝上型電腦或集線站中的RJ-45LAN連接器。
其優(yōu)點為：支持10/100/1000Base-T信令;替代LAN應(yīng)用中的繼電器;低I/O電容使得最大程度地降低負(fù)載和信號失真;加入3個額外的通道用于LED切換。
7.2 功耗最低的千兆以太網(wǎng)LAN開關(guān)，具有引5kVESD保護(hù)。整合于節(jié)省空間的5mm×5mm、32引腳TQFN封裝。是理想用于筆記本圬站、1T3/E3冗余開關(guān)和LVOS切換。
主要功能：內(nèi)置LED開關(guān)，用于切換與圬站相連的指示燈;超低靜態(tài)電流，延長電池壽命;優(yōu)化的引腳排布使變壓器和PHY的接口更輕松;土15kVESD保護(hù)(MAX4890E/MAX4892E);雙向8路至16路復(fù)用器/解復(fù)用器;提供1GHz帶寬。圖8為7MAX4890E應(yīng)用示意圖。
圖8 7MAX4890E應(yīng)用示意圖
8 電量監(jiān)測
⑴尺寸最小、效率最高并且靈活的筆記本電量計解決方案
MA1785結(jié)合先進(jìn)的軟件工具套件以及可編程微控制器，可為筆記本計算機(jī)提供靈活的電量計開發(fā)平臺。MAⅪ785內(nèi)置的Li+保護(hù)電路，具有超低的靜態(tài)功耗、精確的電量計以及防篡改硬件，方便設(shè)計人員為筆記本應(yīng)用構(gòu)建高效安全的電池包控制方案。
⑵MA1785芯片主要特征
最大的靈活性，即可編程8位μC、32kB閃存、6路GPIO、7個高壓端口;內(nèi)置保護(hù)電路，即過壓及過流保護(hù)、可編程門限;最精確的電量計，即不校準(zhǔn)條件下具有1μV失調(diào)、小于1%的增益誤差、138μAh的分辨率。
⑶該方案功能
采用小尺寸6.5mm×9.8mm TSSOP封裝的單芯片解決方案;可提供C編譯器以及在系統(tǒng)調(diào)試器;有主/從SMBUS接口;低功耗，具有最長的工作時間;是一千安全解決方案，即硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，提供DES3或SHA-1。
9 獨特的顯示屏電源
9.1電視和顯示器TFTLCD顯示屏的偏置電源TPS65160A
TPS65160A提供了非常緊湊的電源解決方案，以提供薄膜晶體管(TFT)LCD平板所需的全部四種電壓。借助于其高電流容量，該器件是大屏幕顯示器平板和LCD電視應(yīng)用的理想器件。該器件可從12V輸入電壓直接供電來生成偏置電壓、VGH和VGL源電壓Vs：以及用于LCD平板的邏輯電壓Vlogic。圖9為TPS65160A應(yīng)用示意圖。
圖9 TPS65160A應(yīng)用示意圖
⑴主要特性
8V至14V輸入電壓范圍;Vs輸出電壓范圍高達(dá)20V;具有1%容限的2.8A升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān);具有1.5%容限的1.8A步降轉(zhuǎn)換器;500/750kHz固定切換頻率;用于VGL輸出的負(fù)壓充電泵驅(qū)動器;用于VGH輸出的正充電泵驅(qū)動器;用于VGL和VGH輸出的可調(diào)整定序;驅(qū)動外部MOSFET的柵極驅(qū)動信號;內(nèi)部和可調(diào)節(jié)軟啟動;封裝為HTSSOP-28。
⑵優(yōu)點：完全集成的TFTLCD偏置電源，集成且可調(diào)整定序,有最大保護(hù)功能以及短路和過壓保護(hù)與熱關(guān)斷。
9.2 獨特的4通道CCFL控制器，以單片IC實現(xiàn)背光掃描
DS3994改善LCD視頻質(zhì)量，無需增加逆變器成本。單片DS3994產(chǎn)生4種獨立的突發(fā)波形(見圖10所示)。每通道具有可編程交錯突發(fā)啟動，可針對特定應(yīng)用進(jìn)行定制。
圖10 單片DS3994產(chǎn)生4種獨立的突發(fā)波形
其主要性能：
⑴高集成度方案：4通道CCFL控制器，適用于LCD TV和PC監(jiān)視器的多燈管背光;每通道驅(qū)動多達(dá)八個燈管;單片控制器IC實現(xiàn)背光掃描功能——每相無需單獨IC;元件數(shù)最少的BOM。
⑵精密振蕩器實現(xiàn)最優(yōu)畫質(zhì)：為燈管(20kHz至80kHz)和調(diào)光(22.5Hz至440Hz)頻率提供獨立的片上振蕩器(精度達(dá)±2%);燈管和/或調(diào)光頻率可同步至外部時鐘，以減少顯示失真。
⑶應(yīng)用靈活性：每通道可交錯編程突發(fā)模式;啟輝頻率提升選項;可編程啟輝時間;2線串口和片上非易失存儲器，以定制器件功能。
⑷提高可靠性和安全性：每通道燈管故障監(jiān)視功能，檢測開路、短路、啟輝失敗和過壓故障;具有較低DC偏移的高逼真度正弦信號逆變器輸出，最大程度提高效率和延長燈管壽命。
10 風(fēng)扇控制器和溫度監(jiān)控器
10.1 7通道溫度傳感器監(jiān)測一路本地溫度和六路遠(yuǎn)端溫度
理想用干采用45nm CPU的筆記本PC，如MAX6693可提供六路遠(yuǎn)端檢測并可測量其自身溫度。MAX6693通過其遠(yuǎn)端通道測量內(nèi)置“二極管”溫度傳感器的大功率IC的溫度，也可以采用分立晶體管監(jiān)測多點溫度。第l通道包含beta補(bǔ)償，可精確測量小尺寸CPU的溫度。是單一芯片能夠測量一路本地溫度和六路遠(yuǎn)端溫度.。其應(yīng)用示意圖見圖11所示。
其主要功能：六路遠(yuǎn)端檢測，一路本地溫度檢測，一路遠(yuǎn)端通道優(yōu)化用于低beta值、45nm晶體管檢測，±1℃遠(yuǎn)端溫度精度(+60℃至100℃)， 輸出用于中斷、限流和關(guān)斷，還提供4路遠(yuǎn)端檢測產(chǎn)品(MAX6694*)，小尺寸、5mm×5mm、28引腳TQFN封裝。
圖11 MAX6693應(yīng)用示意圖
10.2 MAMC6821是一個具有本地(片上)和遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測功能的風(fēng)扇控制器
MAMC6821具有使風(fēng)扇速度最佳的內(nèi)部線性控制環(huán)路。該器件具有三種工作模式。在自動溫度風(fēng)扇速度模式中，當(dāng)溫度變化時，風(fēng)扇速度自動調(diào)整為最佳值。在軟件RPM模式中，風(fēng)扇速度保持軟件定義的目標(biāo)值。這兩種模式都是閉環(huán)模式。在軟件DCY模式中，將PWM驅(qū)動器的占空比設(shè)置為用戶寫入器件的值。
在任何閉環(huán)模式中，MAMC6821都可單獨運行，這可降低系統(tǒng)控制器功耗并減少總線活動。由于它的工作電壓低至2.7V，所以最適用于筆記本電腦設(shè)計。
⑴主要特性：遠(yuǎn)程和本地溫度測量，遠(yuǎn)程±1℃準(zhǔn)確度，本地±2℃準(zhǔn)確度，本地和遠(yuǎn)程都是0.125℃分辨率;風(fēng)扇速度監(jiān)控器，PWM范圍100至23000;6%準(zhǔn)確度;PWM風(fēng)扇控制輸出，0%至100%占空比(8位)，10Hz至40kHz輸出頻率;控制模式，自動溫度風(fēng)扇速度控制模式與軟件RPM控制模式及軟件DCY控制模式;SMBus/雙線接口,2.7V至5.5V工作電壓;封裝SSOP-16。
⑵優(yōu)點：降低聽得到的風(fēng)扇噪音，降低功耗與獨立模式減少CPU處理和總線活動。
11 音頻功率放大器
先迸的三通道(左與右聲道及亞低音輸出)、有源分頻D類揚聲器放大器。具有如下先迸性：擴(kuò)譜技術(shù)降低EMI，增強(qiáng)型咔嗒•噼噗聲抑制電路，與0.02%THD+N，90%效率，71dBPSRR;DirecDrive耳機(jī)放大器,無須隔直電容和低音性能最佳;有四種可選分頻，簡化了設(shè)計實現(xiàn),即高通函數(shù)具有二次斜率、低通函數(shù)具有二次斜率、分頻點可選(0.8kHz、1.1kHz、1.6kHz及2.1kHz);內(nèi)部有源分頻電路簡化了設(shè)計，并節(jié)省了外部元件，降低了成本。此三通道、有源分頻D類揚聲器放大器以MAX9706/9707為典型。
該MAX9706/9707屬先迸的D類放大器。通過擴(kuò)譜技術(shù)和主動輻射限制實現(xiàn)超低EMI，效率高達(dá)90%，THD+N、PSRR和簡單程度可媲美AB類放大器。它是理想用于筆記本PC和便攜式DVD，具有亞低音輸出。有源分頻提供立體聲高通輸出和單聲道低通輸出。
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