筆記本電腦電源配置分析

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(cè)計(jì)，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(duì)于系統(tǒng)集成商和設(shè)計(jì)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?yàn)檫@大大有利于提升筆記本電腦性能價(jià)格比與產(chǎn)品質(zhì)量及系統(tǒng)的維護(hù)。為此，本文將對(duì)筆記本電腦解決方案中各個(gè)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(gè)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(gè)輸出全面的主電源解決方案。2個(gè)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(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償，支持陶瓷輸出電容器設(shè)計(jì)。另外，TPS51120有兩個(gè)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(dòng)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(gè)輸出是一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)都配備了獨(dú)立的電源狀態(tài)良好指示信號(hào)并為每個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)和LDO配備了獨(dú)立的使能信號(hào)。這整個(gè)解決方案裝在一個(gè)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(gè)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(dòng)跳過模式工作，固定值軟啟動(dòng)或可從外面調(diào)節(jié)，完全集成軟關(guān)閉，獨(dú)立的轉(zhuǎn)換開關(guān)和LDO使能端,獨(dú)立的電源狀態(tài)良好指示信號(hào)，集成升壓二極管，4.5V至28V輸入電壓范圍，封裝5mm×5mm QFN32。

⑵5個(gè)輸出全面的電源芯片的優(yōu)點(diǎn)

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(cè)，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(dú)立監(jiān)控每個(gè)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(gè)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(shí)控制。已在尺寸和易于使用方面對(duì)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(shí)現(xiàn)：該模式是最簡(jiǎn)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(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的軟啟動(dòng)時(shí)間都是集成的，通過集成軟啟動(dòng)時(shí)間、支持低側(cè)RDS(on)僅檢測(cè)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(xiàng)以使效率最高的部件來取得優(yōu)化效果。TPS51124也為每個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)配備了獨(dú)立的電源狀態(tài)良好指示和使能端引腳。這個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的解決方案裝在一個(gè)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(shí)控制，低側(cè)RDS(on)無損電流檢測(cè)，固定內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)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(dú)立的電源狀態(tài)良好指示信號(hào)，3V至28V輸入電壓范圍，封裝：4mm×4mm QFN-24。

⑵優(yōu)點(diǎn)

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(tái)式機(jī)、桌面筆記本、圖形卡和機(jī)頂盒優(yōu)選的簡(jiǎn)單、廉價(jià)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(dòng)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(gè)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(jì)，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(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償并支持陶瓷輸出電容器設(shè)計(jì)。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(dòng)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(hào)就可以在S3中支持high-Z并在S4和S5中支持軟啟動(dòng)關(guān)閉。這整個(gè)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(shí)控制，可選溫度補(bǔ)償RDS(on)/電阻OCP，固定PWM或自動(dòng)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(hào)，集成升壓二極管，封裝：4mm×4mm QFN-24或HTSSOP-20。

⑵優(yōu)點(diǎn)：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(jì)，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(cè)，固定軟啟動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(gè)±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(gè)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(dòng)。VTT參考LDO可輸出最高20mA。所有使能控制相互獨(dú)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(gè)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(shí)控制。最簡(jiǎn)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(cè)。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(diǎn)。其不同特性為：固定內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)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(diǎn)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(dòng)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(diǎn)

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(hào)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(hào)路由至膝上型電腦或集線站中的RJ-45LAN連接器。

其優(yōu)點(diǎn)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(hào)失真;加入3個(gè)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(zhǎng)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(cè)

⑴尺寸最小、效率最高并且靈活的筆記本電量計(jì)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(jì)算機(jī)提供靈活的電量計(jì)開發(fā)平臺(tái)。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(jì)以及防篡改硬件，方便設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)，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(zhǎng)的工作時(shí)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(dú)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(dòng)器;用于VGH輸出的正充電泵驅(qū)動(dòng)器;用于VGL和VGH輸出的可調(diào)整定序;驅(qū)動(dòng)外部MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào);內(nèi)部和可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng);封裝為HTSSOP-28。

⑵優(yōu)點(diǎn)：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(dú)特的4通道CCFL控制器，以單片IC實(shí)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(dú)立的突發(fā)波形(見圖10所示)。每通道具有可編程交錯(cuò)突發(fā)啟動(dòng)，可針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。

圖10 單片DS3994產(chǎn)生4種獨(dú)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(dòng)多達(dá)八個(gè)燈管;單片控制器IC實(shí)現(xiàn)背光掃描功能——每相無需單獨(dú)IC;元件數(shù)最少的BOM。

⑵精密振蕩器實(shí)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(dú)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(shí)鐘，以減少顯示失真。

⑶應(yīng)用靈活性：每通道可交錯(cuò)編程突發(fā)模式;啟輝頻率提升選項(xiàng);可編程啟輝時(shí)間;2線串口和片上非易失存儲(chǔ)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(cè)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(hào)逆變器輸出，最大程度提高效率和延長(zhǎng)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(cè)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(cè)并可測(cè)量其自身溫度。MAX6693通過其遠(yuǎn)端通道測(cè)量?jī)?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(cè)多點(diǎn)溫度。第l通道包含beta補(bǔ)償，可精確測(cè)量小尺寸CPU的溫度。是單一芯片能夠測(cè)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(cè)，一路本地溫度檢測(cè)，一路遠(yuǎn)端通道優(yōu)化用于低beta值、45nm晶體管檢測(cè)，±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(cè)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(gè)具有本地(片上)和遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)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(dòng)溫度風(fēng)扇速度模式中，當(dāng)溫度變化時(shí)，風(fēng)扇速度自動(dòng)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(dòng)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(dú)運(yùn)行，這可降低系統(tǒng)控制器功耗并減少總線活動(dòng)。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(jì)。

⑴主要特性：遠(yuǎn)程和本地溫度測(cè)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(dòng)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(diǎn)：降低聽得到的風(fēng)扇噪音，降低功耗與獨(dú)立模式減少CPU處理和總線活動(dòng)。

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(yáng)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)實(shí)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(diǎn)可選(0.8kHz、1.1kHz、1.6kHz及2.1kHz);內(nèi)部有源分頻電路簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，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(yáng)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(dòng)輻射限制實(shí)現(xiàn)超低EMI，效率高達(dá)90%，THD+N、PSRR和簡(jiǎn)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。