整合與分布智能成為電源系統(tǒng)的主要趨勢

By Dave Freeman
Application Engineering Manager, Power Management Products
Texas Instruments

最近幾年的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)和電源管理發(fā)展趨勢已經(jīng)反映出整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都能見到的許多動(dòng)態(tài)，例如零件整合度日益增加、利用數(shù)字組件來加強(qiáng)或取代傳統(tǒng)模擬電路的做法更加普遍、以及在前兩個(gè)趨勢影響下，越來越多智能型功能開始分布至整個(gè)電源系統(tǒng)；毫無疑問的，這些力量將在未來的幾年內(nèi)繼續(xù)影響電源零件。此外，某些特殊應(yīng)用的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧也已出現(xiàn)，它們也將塑造電源零件的本質(zhì)和功能。

在這些特殊應(yīng)用的眾多發(fā)展趨勢當(dāng)中，最主要的趨勢是把行動(dòng)電話設(shè)計(jì)技巧和方法應(yīng)用到其它行動(dòng)通訊、運(yùn)算和消費(fèi)性電子裝置的電源系統(tǒng)，例如PDA、數(shù)字相機(jī)、混合式智能型手機(jī)和其它產(chǎn)品。

電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的整合

無論就整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)而言，或是針對行動(dòng)應(yīng)用來說，零件整合長期以來就是它們的重要支柱之一；最值得注意的是，行動(dòng)電話的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)也是遵循這個(gè)趨勢，朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

行動(dòng)電話的電源系統(tǒng)曾經(jīng)是由許多離散模擬零件組成，但這樣的日子已一去不回。最初的功能整合在于盡量縮小這些離散式電源零件的體積，隨后則是把它們整合至一顆或少數(shù)幾顆電源管理組件。現(xiàn)在，這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能，它們的應(yīng)用范圍也逐漸跨出行動(dòng)電話產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入各種不同類型的掌上型裝置。

芯片整合的理由對于整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因?yàn)橹圃爝@些產(chǎn)品所需的組件數(shù)目和電路板面積都會(huì)減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會(huì)更簡單、更高的系統(tǒng)可靠性還能縮短測試時(shí)間。此外，更高階的芯片整合度也能提高發(fā)展流程效率，進(jìn)而加快制造商的新產(chǎn)品上市時(shí)間；由于他們能更快在市場上推出新產(chǎn)品，芯片整合度確保產(chǎn)品上市時(shí)擁有極大競爭力。

TI提供的TPS65010電源組件就是高整合度、高功能電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的最新范例。這顆組件專門支持各種行動(dòng)應(yīng)用的電源管理需求，包括PDA、數(shù)字相機(jī)、多媒體智能型手機(jī)和其它產(chǎn)品；無論是任何系統(tǒng)，只要它們使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池，并且包含多組電源線路和多顆先進(jìn)應(yīng)用處理器，TPS65010就能做為它們的電源系統(tǒng)。



TPS65010整合了電源系統(tǒng)的所有重要建構(gòu)方塊，包括用于交換式電源轉(zhuǎn)換和電池充電的整合式FET晶體管；TPS65010還整合復(fù)雜先進(jìn)的電池和電源管理智能，滿足今日高效能、功耗處理器所需，例如TI提供的OMAP處理器。TPS65010體積很小，最多只需要離散式解決方案的1/3電路板面積，但卻內(nèi)建兩個(gè)同步直流降壓轉(zhuǎn)換器和整合式FET晶體管、提供系統(tǒng)電源的1 A轉(zhuǎn)換器以及提供處理器核心電源的400 mA轉(zhuǎn)換器；在最大工作模式下，TPS65010可以達(dá)到97%的轉(zhuǎn)換效率。

TPS65010還整合其它多種功能，它們是行動(dòng)電話應(yīng)用以外的其它電源管理組件比較少看到的，例如這顆零件包含TI最新的線性電池充電器技術(shù)和1 A充電FET晶體管，使得這顆零件可以使用來自USB連接埠或者外接式電源供應(yīng)器的電源。TPS65010內(nèi)建智能型功能，可以自動(dòng)選擇USB或電源供應(yīng)器做為充電電源；這顆組件所整合的充電器技術(shù)還提供高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示、充電終止和安全定時(shí)器。

數(shù)字零件改變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TPS65010利用它所擁有的高階整合度以及更強(qiáng)大功能，證明電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為什么正在轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)。當(dāng)數(shù)字電路加入電源系統(tǒng)后，更多的智能即可內(nèi)建至電源系統(tǒng)，進(jìn)而減少系統(tǒng)主機(jī)處理器的工作負(fù)擔(dān)，使它能夠執(zhí)行對于系統(tǒng)成敗更重要的工作。透過這樣的方式，數(shù)字加強(qiáng)型電源供應(yīng)就成為最佳化的系統(tǒng)外圍，它可以連接至操作系統(tǒng)，以便提供監(jiān)督和控制功能。

此外，數(shù)字組件的延展性也優(yōu)于模擬組件，因此隨著數(shù)字制程越來越精密，數(shù)字電源芯片也會(huì)變得更小，使它們所需的電路板面積隨之減少。若只利用模擬技術(shù)來實(shí)作電源供應(yīng)的組態(tài)設(shè)定和監(jiān)督，電路通常會(huì)變得很復(fù)雜，閑置電源的功耗也更大。體積較小的數(shù)字電源組件則能提供多種工作模式，減少電源子系統(tǒng)的功耗，這表示電源管理系統(tǒng)只會(huì)消耗更少的系統(tǒng)電源，使得更多電力能夠提供給系統(tǒng)使用。

某些電源系統(tǒng)已開始從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，受到這個(gè)趨勢影響，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須掌握新的設(shè)計(jì)技巧；最后，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程會(huì)迫使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以數(shù)字方式思考，并對操作系統(tǒng)有更深入的了解。

朝向數(shù)字電源的趨勢已產(chǎn)生多種效果，行動(dòng)通訊系統(tǒng)處理器與電源子系統(tǒng)的互動(dòng)方式就是個(gè)例子；過去，當(dāng)電源子系統(tǒng)還不是那么先進(jìn)，并且主要包含模擬零件時(shí)，基頻處理器必須透過不同接腳，才能把基本的開機(jī)／關(guān)機(jī)命令送給電源子系統(tǒng)。隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源組件，并使它們變得更聰明，基頻處理器和數(shù)字電源管理組件就能以更復(fù)雜的信息和命令相互溝通。要讓這樣的芯片對芯片互動(dòng)達(dá)到可接受的效能水準(zhǔn)，處理器和數(shù)字電源管理組件之間就需要更先進(jìn)的界面，例如I2C™就是適合此用途、而且功能更強(qiáng)健可靠的界面之一。

在主機(jī)處理器和電源系統(tǒng)之間使用強(qiáng)健可靠界面的影響之一，是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在必須學(xué)習(xí)如何利用完整復(fù)雜的界面，而不僅是簡單的開機(jī)和關(guān)機(jī)線路。某些電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在第一次學(xué)習(xí)如何管理界面，使得電源管理組件能和主機(jī)處理器所執(zhí)行的操作系統(tǒng)溝通；在許多情形下，這牽涉到學(xué)習(xí)新的程序設(shè)計(jì)工具和語言 - 當(dāng)電源系統(tǒng)的絕大多數(shù)零件是模擬組件時(shí)，設(shè)計(jì)人員并不需要使用這些工具或語言。

把智能分布至整個(gè)電源系統(tǒng)

隨著越來越多智能分布至整個(gè)電源系統(tǒng)，也使得電源系統(tǒng)更需要先進(jìn)的功能界面 - 特別是在處理器和電源管理組件之間，對于這類界面的需求更為明顯。這個(gè)功能界面必須包含所有子系統(tǒng)的電源管理功能，例如電池充電和監(jiān)測。除了發(fā)展實(shí)體界面之外，系統(tǒng)還需要一套協(xié)議來支持各種子系統(tǒng)，而且這個(gè)協(xié)議不能帶來不必要的復(fù)雜性。

在今日的筆記型計(jì)算機(jī)中，電池管理單元會(huì)使用類似于I2C™界面的SMBus界面；這個(gè)界面的應(yīng)用正在擴(kuò)大，把更多電源子系統(tǒng)納入支持范圍。為電池管理子系統(tǒng)增加功能界面，充電子系統(tǒng)和電源管理功能之間的合作將更有效率。系統(tǒng)主機(jī)處理器過去必須盡可能監(jiān)測電池電力，同時(shí)管理整個(gè)充電程序，現(xiàn)在隨著更多智能分布于整個(gè)電源系統(tǒng)，電源管理組件可與強(qiáng)健可靠的電池電力量測組件以及各種電池充電零件密切合作。

TI新推出的bqJUNIOR™系列 (bq265xx) 就是很好的例子，它說明隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源系統(tǒng)，智能也將開始分布至整個(gè)電源系統(tǒng)；bqJUNIOR證明智能已開始出現(xiàn)在許多行動(dòng)應(yīng)用的電池組和充電子系統(tǒng)，例如使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池的數(shù)字相機(jī)、PDA和行動(dòng)電話。

電池監(jiān)測功能最初是透過少數(shù)幾顆比較器來提供，它們連接至顯示屏幕的指示計(jì)，顯示電池剩余電力。隨后廠商開始把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器嵌入系統(tǒng)的基頻處理器，使它能監(jiān)測電池的電力狀態(tài)，最新發(fā)展則是在組件中加入智能型電池管理子系統(tǒng)，bqJUNIOR就是采取這樣的做法。

bqJUNIOR不同于其它簡單的電池監(jiān)測零件，它是完全整合式電池電力量測組件，內(nèi)建處理器可以計(jì)算電池剩余電力以及這些電力所能提供的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。bqJUNIOR利用電壓偏移值很小的整合式電荷計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器 (coulomb counting converter) 來量測電池的充電及放電電流，精準(zhǔn)度可達(dá)到百分之一，它還內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可用來量測電壓和溫度值。bqJUNIOR的內(nèi)建處理器可以根據(jù)這些量測結(jié)果，利用特定算法來準(zhǔn)確計(jì)算電池的剩余電力；在此之前，只有在筆記型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次，才會(huì)提供這種程度的電池管理功能。

bqJUNIOR電池電力量測組件的功耗極低，它的工作電流少于100 mA，還提供三種待命功耗模式；bqJUNIOR可以進(jìn)入這些待命功耗模式，以便在系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)時(shí)，為系統(tǒng)節(jié)省更多的電池電力。bqJUNIOR其它規(guī)格還包括：偏移電壓很小的轉(zhuǎn)換器，可以準(zhǔn)確監(jiān)測充電及放電電流；內(nèi)建時(shí)脈功能，可減少系統(tǒng)的芯片數(shù)目；整合式EEPROM內(nèi)存，用來設(shè)定與應(yīng)用相關(guān)的特定功能；以及可程序I/O連接端口。

由于bqJUNIOR可以搜集它所需要的全部信息，又能執(zhí)行所有必要計(jì)算，因此工程師不必為了提供這些功能，而針對系統(tǒng)主機(jī)處理器發(fā)展相關(guān)算法，這能減少產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間和成本。主機(jī)處理器，例如TI的OMAP1710應(yīng)用處理器、OMAP750整合式通訊及應(yīng)用處理器或是OMAP5910嵌入式應(yīng)處理器，都能使用單線 (single-wire) 通訊端口和HDQ協(xié)議與bqJUNIOR互動(dòng)，并且取得它們所需的電源信息。