電源管理子系統(tǒng)IC及其應(yīng)用
[導(dǎo)讀]當(dāng)今，大多數(shù)消費(fèi)類和移動(dòng)應(yīng)用的電池都是基于鋰離子技術(shù)，如鋰離子、鋰離子聚合物電池等。這類電池都具有優(yōu)異的容量性能，并具有3.3V~4.2V電壓范圍，這允許用3V額定電源的IC在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)有效的電源管理。
當(dāng)今，大多數(shù)消費(fèi)類和移動(dòng)應(yīng)用的電池都是基于鋰離子技術(shù)，如鋰離子、鋰離子聚合物電池等。這類電池都具有優(yōu)異的容量性能，并具有3.3V~4.2V電壓范圍，這允許用3V額定電源的IC在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)有效的電源管理。
隨著IC電壓需要繼續(xù)降低以使工作時(shí)間延長(zhǎng)，現(xiàn)在很多系統(tǒng)也需要多電源和更復(fù)雜的電源管理功能。為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員也習(xí)慣從多家供應(yīng)商選用各種現(xiàn)成的低集成電源管理元件，以便迅速地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。往往復(fù)雜電路的電源子系統(tǒng)僅包含一個(gè)或兩個(gè)電源和一些分立元件(如低壓穩(wěn)壓器LDO和降壓變換器)。
某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)(特別是便攜電子設(shè)備)復(fù)雜性的增加，意味著需要更多控制，而設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮如何使效率最佳化，靠關(guān)閉不用的功能并在多電源運(yùn)行時(shí)保證穩(wěn)定和正確的工作。
這樣采用多個(gè)分立元件已經(jīng)不夠。伴隨著設(shè)計(jì)復(fù)性的增加，需要采取系統(tǒng)級(jí)方法來(lái)設(shè)計(jì)電源管理子系統(tǒng)，在電壓產(chǎn)生和穩(wěn)壓的基本功能中，增加復(fù)雜性。靠增加另外的器件到已有的元件集合中，可以滿足這樣要求，而且不增大成本和PCB面積。
除考慮較高的集成度外，還必須考慮支持系統(tǒng)所需的整個(gè)性能。從電源管理的觀點(diǎn)，要求更多考慮到電源管理子系統(tǒng)所規(guī)定的功能，集成所有功能，而不影響技術(shù)性能。例如，典型的手持應(yīng)用具有鋰離子電源，控制主要功能的處理器、存儲(chǔ)器、外部外設(shè)(如顯示)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展(如SD或MMC卡)和一些模塊功能(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或傳感器接口)。這樣的系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)功能的不同，需要一些不同的電源。處理器通常需要兩個(gè)電源——一個(gè)用于芯核的低電壓(以便節(jié)省功耗)和用于接口其他器件的較高電壓。模擬功能需要較高的電壓來(lái)保證工作范圍，或提供有力的輸出驅(qū)動(dòng)能力，而隨著顯示大小和復(fù)雜性的增加，顯示驅(qū)動(dòng)器需要較高的電壓。
集成的電源管理子系統(tǒng)應(yīng)該考慮的其他問(wèn)題包括：
·接通系統(tǒng)的方法：采用機(jī)械開(kāi)關(guān)還是電子方法？接口如何連接到控制器(典型的例子是雙功能開(kāi)關(guān)，它把電源和其他功能結(jié)合在一起)。
·電池電源超出范圍(欠壓或過(guò)壓)。
·各個(gè)電源的排序：多電壓的一個(gè)問(wèn)題是需要首先激勵(lì)最高電壓的電源，以防IC閉鎖。
·永久激勵(lì)的電源是否需要休眠功能。
·不去掉電池關(guān)閉系統(tǒng)。
可以針對(duì)這些問(wèn)題采用標(biāo)準(zhǔn)元件，如POR(通電復(fù)位)電路、電池監(jiān)控IC和PLD(可編程邏輯器件)。然而，系統(tǒng)增加元件會(huì)增加成本和增大PCB面積。
電源管理子系統(tǒng)IC
電源管理子系統(tǒng)IC(PMIC)能集成更多的功能，它處于簡(jiǎn)單功能器件(如低壓穩(wěn)壓器LDO或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器)和復(fù)雜的系統(tǒng)芯片IC(包含電源管理等很多功能)之間。
PMIC(圖1)的目的是為鋰離子供電的便攜應(yīng)用提供核心功能，為最大電池壽命提供有效的工作。核心功能通常是高效率降壓轉(zhuǎn)換器和若干低靜態(tài)電流LDO。
典型系統(tǒng)中的PMIC示于圖2，需要注意幾個(gè)不同的外部問(wèn)題。例如，電源管理需要直接與電池(一般是單個(gè)鋰離子電源)接口，而工作時(shí)有沒(méi)有控制器產(chǎn)生和控制若干系統(tǒng)電源。在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)(沒(méi)有控制器，但需要多個(gè)電源)中，加一個(gè)合適的電池電壓和使能信號(hào)將啟動(dòng)器件，激勵(lì)所有的穩(wěn)壓器。PMIC可以繼續(xù)工作，直到用戶用ONKEY引腳關(guān)斷器件或發(fā)生錯(cuò)誤條件為止(如低電池電壓)。
從控制和可編程性觀點(diǎn)看，關(guān)于穩(wěn)定輸出電壓的選擇越多，靈活性就越大。通過(guò)專門(mén)引腳，用簡(jiǎn)單控制接口到微控制器是一種簡(jiǎn)單的選擇，通過(guò)I2C總線用更全面地控制，可以提供可編程輸出電壓。
通常，PMIC包含若干LDO穩(wěn)壓器、DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器和其他功能。
LDO電壓穩(wěn)壓器是電源管理系統(tǒng)的中心部分，能為系統(tǒng)中其他IC產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲電源電壓。LDO的重要性能參量是電源抑制比(PSRR)和靜態(tài)電流，后者將直接影響待機(jī)時(shí)間。每個(gè)穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流似乎是小的，但系統(tǒng)中有多個(gè)穩(wěn)壓器和其他功能加起來(lái)會(huì)增大10或20倍，這會(huì)變得很大。
PSRR是干擾電平的量測(cè)，一旦發(fā)生穩(wěn)壓，PSRR仍然呈現(xiàn)在電源線上。若這種瞬態(tài)不能被抑制，則它們會(huì)呈現(xiàn)在音頻頻段，成為不舒服的音調(diào)。另外的情況是會(huì)添加對(duì)RF信號(hào)的調(diào)制，這可能導(dǎo)致假的傳輸，而需要另外的濾波來(lái)去除它們。
為了在寬頻段達(dá)到高PSRR，LDO誤差放大器通常具有偏置電流校準(zhǔn)，用于最壞工作條件下校準(zhǔn)最高輸出電流。隨著偏置的固定和與電流定位無(wú)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致放大器過(guò)偏置和消耗比低電流定值所要求的更高靜態(tài)電流。基于此原因，高性能LDO設(shè)計(jì)通常需要有低功率休眠模式，以降低低電流定值下的低效率。
Dialog Semiconductor 公司的專利是解決此問(wèn)題的獨(dú)特方法，是采用稱之為Smart Mirror LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)技術(shù)，這種穩(wěn)壓器比當(dāng)今所用的其他穩(wěn)壓器具有更佳的PSRR性能。
Smart Mirror 穩(wěn)壓器鏡像返回到偏置產(chǎn)生器的輸出電流定值，使偏置隨定值下降而自動(dòng)降低并給出動(dòng)態(tài)的靜態(tài)電流控制(見(jiàn)圖3)。這種方法所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器在寬工作電流范圍具有高PSRR和動(dòng)態(tài)性能，這不受所有條件(最大負(fù)載除外)下過(guò)偏置設(shè)計(jì)折衷考慮的限制。具有自動(dòng)自適應(yīng)偏置控制，消除了所需的低功率工作模式和任何用戶干預(yù)開(kāi)關(guān)到低電流定值的低功率模式。
采用此技術(shù)提供10mA的LDO通常具有99%電流效率，耗電低于20μA。另外，電源抑制在較高帶寬(217Hz)下具有較高性能。
Smart Mirror穩(wěn)壓器的PSRR大于80dB，在10KHz其PSRR仍然高于60dB。
非常高集成度的PMIC除集成多個(gè)高性能LDO外，通常包括高效率可編程輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器，單獨(dú)可選擇的LED驅(qū)動(dòng)器、可編程電池充電器，音頻驅(qū)動(dòng)器和其他功能。
降壓轉(zhuǎn)換器改善了電路效率和降低了功耗。帶集成開(kāi)關(guān)的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器可為基帶電路提供高電流、低電壓電源，用同步和異步模式，保證在寬電流定值范圍內(nèi)的效率，其電源效率大于90%。顯然，這對(duì)于移動(dòng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和通話時(shí)間是一個(gè)沖擊。
典型應(yīng)用
便攜煤體播放機(jī)
隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設(shè)計(jì)隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)變得更復(fù)雜，采用簡(jiǎn)單的電源管理方案成為整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期的一個(gè)關(guān)鍵因素。
一個(gè)基本的PMIC適合于低功率系統(tǒng)，如便攜媒體播放機(jī)(見(jiàn)圖2)，這種系統(tǒng)一般包括數(shù)字和模擬功能，而且，系統(tǒng)中采用先進(jìn)的微控制器或DSP，從而需要分離的芯核和外設(shè)電源。實(shí)際上基本的PMIC可以用在采用單個(gè)鋰電池或3·3V電源的系統(tǒng)，例如，很多計(jì)算機(jī)接口(如PCMCIA、SD、MMC、Compact Flash和mini PCI)中。
PMIC提供基本的系統(tǒng)級(jí)電源管理方案，能處理ON/OFF控制，電源定序和電池監(jiān)控，使得PMIC成為較復(fù)雜系統(tǒng)的核心。用標(biāo)準(zhǔn)元件可以增加另外的功能(如附加的穩(wěn)壓器或電池充電)，使設(shè)計(jì)人員能快速地配置一個(gè)完整的系統(tǒng)。
移動(dòng)手持裝置
具有較高集成度的PMIC可以為移動(dòng)手持裝置中的應(yīng)用處理器(如Intel PXA27×處理器)和通信處理器提供所有的電源管理功能(見(jiàn)圖4)。
在系統(tǒng)中，PMIC提供電源，電池管理和有效設(shè)計(jì)的休眠模式功能并支持顯著節(jié)省功率的無(wú)線Intel SpeedStep 技術(shù)。
PMIC的高集成度與等效的分立元件方案相比，能顯著地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和大小。應(yīng)用處理器控制與外設(shè)功能有關(guān)的整個(gè)系統(tǒng)，而通信控制器突出在無(wú)線通信部分的控制。
應(yīng)用處理器和PMIC可以互連構(gòu)建一個(gè)帶少量附加元件的有效電源系統(tǒng)。
大多數(shù)手持系統(tǒng)要求以最低的功耗工作，以便保持較長(zhǎng)的工作時(shí)間。集成PMIC可提供幾種工作模式：電源中斷、上電啟動(dòng)、激活和休眠，具有小的形狀因數(shù)以及最小PCB面積
隨著IC電壓需要繼續(xù)降低以使工作時(shí)間延長(zhǎng)，現(xiàn)在很多系統(tǒng)也需要多電源和更復(fù)雜的電源管理功能。為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員也習(xí)慣從多家供應(yīng)商選用各種現(xiàn)成的低集成電源管理元件，以便迅速地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。往往復(fù)雜電路的電源子系統(tǒng)僅包含一個(gè)或兩個(gè)電源和一些分立元件(如低壓穩(wěn)壓器LDO和降壓變換器)。
某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)(特別是便攜電子設(shè)備)復(fù)雜性的增加，意味著需要更多控制，而設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮如何使效率最佳化，靠關(guān)閉不用的功能并在多電源運(yùn)行時(shí)保證穩(wěn)定和正確的工作。
這樣采用多個(gè)分立元件已經(jīng)不夠。伴隨著設(shè)計(jì)復(fù)性的增加，需要采取系統(tǒng)級(jí)方法來(lái)設(shè)計(jì)電源管理子系統(tǒng)，在電壓產(chǎn)生和穩(wěn)壓的基本功能中，增加復(fù)雜性。靠增加另外的器件到已有的元件集合中，可以滿足這樣要求，而且不增大成本和PCB面積。
除考慮較高的集成度外，還必須考慮支持系統(tǒng)所需的整個(gè)性能。從電源管理的觀點(diǎn)，要求更多考慮到電源管理子系統(tǒng)所規(guī)定的功能，集成所有功能，而不影響技術(shù)性能。例如，典型的手持應(yīng)用具有鋰離子電源，控制主要功能的處理器、存儲(chǔ)器、外部外設(shè)(如顯示)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展(如SD或MMC卡)和一些模塊功能(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或傳感器接口)。這樣的系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)功能的不同，需要一些不同的電源。處理器通常需要兩個(gè)電源——一個(gè)用于芯核的低電壓(以便節(jié)省功耗)和用于接口其他器件的較高電壓。模擬功能需要較高的電壓來(lái)保證工作范圍，或提供有力的輸出驅(qū)動(dòng)能力，而隨著顯示大小和復(fù)雜性的增加，顯示驅(qū)動(dòng)器需要較高的電壓。
集成的電源管理子系統(tǒng)應(yīng)該考慮的其他問(wèn)題包括：
·接通系統(tǒng)的方法：采用機(jī)械開(kāi)關(guān)還是電子方法？接口如何連接到控制器(典型的例子是雙功能開(kāi)關(guān)，它把電源和其他功能結(jié)合在一起)。
·電池電源超出范圍(欠壓或過(guò)壓)。
·各個(gè)電源的排序：多電壓的一個(gè)問(wèn)題是需要首先激勵(lì)最高電壓的電源，以防IC閉鎖。
·永久激勵(lì)的電源是否需要休眠功能。
·不去掉電池關(guān)閉系統(tǒng)。
可以針對(duì)這些問(wèn)題采用標(biāo)準(zhǔn)元件，如POR(通電復(fù)位)電路、電池監(jiān)控IC和PLD(可編程邏輯器件)。然而，系統(tǒng)增加元件會(huì)增加成本和增大PCB面積。
電源管理子系統(tǒng)IC
電源管理子系統(tǒng)IC(PMIC)能集成更多的功能，它處于簡(jiǎn)單功能器件(如低壓穩(wěn)壓器LDO或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器)和復(fù)雜的系統(tǒng)芯片IC(包含電源管理等很多功能)之間。
PMIC(圖1)的目的是為鋰離子供電的便攜應(yīng)用提供核心功能，為最大電池壽命提供有效的工作。核心功能通常是高效率降壓轉(zhuǎn)換器和若干低靜態(tài)電流LDO。
典型系統(tǒng)中的PMIC示于圖2，需要注意幾個(gè)不同的外部問(wèn)題。例如，電源管理需要直接與電池(一般是單個(gè)鋰離子電源)接口，而工作時(shí)有沒(méi)有控制器產(chǎn)生和控制若干系統(tǒng)電源。在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)(沒(méi)有控制器，但需要多個(gè)電源)中，加一個(gè)合適的電池電壓和使能信號(hào)將啟動(dòng)器件，激勵(lì)所有的穩(wěn)壓器。PMIC可以繼續(xù)工作，直到用戶用ONKEY引腳關(guān)斷器件或發(fā)生錯(cuò)誤條件為止(如低電池電壓)。
從控制和可編程性觀點(diǎn)看，關(guān)于穩(wěn)定輸出電壓的選擇越多，靈活性就越大。通過(guò)專門(mén)引腳，用簡(jiǎn)單控制接口到微控制器是一種簡(jiǎn)單的選擇，通過(guò)I2C總線用更全面地控制，可以提供可編程輸出電壓。
通常，PMIC包含若干LDO穩(wěn)壓器、DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器和其他功能。
LDO電壓穩(wěn)壓器是電源管理系統(tǒng)的中心部分，能為系統(tǒng)中其他IC產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲電源電壓。LDO的重要性能參量是電源抑制比(PSRR)和靜態(tài)電流，后者將直接影響待機(jī)時(shí)間。每個(gè)穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流似乎是小的，但系統(tǒng)中有多個(gè)穩(wěn)壓器和其他功能加起來(lái)會(huì)增大10或20倍，這會(huì)變得很大。
PSRR是干擾電平的量測(cè)，一旦發(fā)生穩(wěn)壓，PSRR仍然呈現(xiàn)在電源線上。若這種瞬態(tài)不能被抑制，則它們會(huì)呈現(xiàn)在音頻頻段，成為不舒服的音調(diào)。另外的情況是會(huì)添加對(duì)RF信號(hào)的調(diào)制，這可能導(dǎo)致假的傳輸，而需要另外的濾波來(lái)去除它們。
為了在寬頻段達(dá)到高PSRR，LDO誤差放大器通常具有偏置電流校準(zhǔn)，用于最壞工作條件下校準(zhǔn)最高輸出電流。隨著偏置的固定和與電流定位無(wú)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致放大器過(guò)偏置和消耗比低電流定值所要求的更高靜態(tài)電流。基于此原因，高性能LDO設(shè)計(jì)通常需要有低功率休眠模式，以降低低電流定值下的低效率。
Dialog Semiconductor 公司的專利是解決此問(wèn)題的獨(dú)特方法，是采用稱之為Smart Mirror LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)技術(shù)，這種穩(wěn)壓器比當(dāng)今所用的其他穩(wěn)壓器具有更佳的PSRR性能。
Smart Mirror 穩(wěn)壓器鏡像返回到偏置產(chǎn)生器的輸出電流定值，使偏置隨定值下降而自動(dòng)降低并給出動(dòng)態(tài)的靜態(tài)電流控制(見(jiàn)圖3)。這種方法所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器在寬工作電流范圍具有高PSRR和動(dòng)態(tài)性能，這不受所有條件(最大負(fù)載除外)下過(guò)偏置設(shè)計(jì)折衷考慮的限制。具有自動(dòng)自適應(yīng)偏置控制，消除了所需的低功率工作模式和任何用戶干預(yù)開(kāi)關(guān)到低電流定值的低功率模式。
采用此技術(shù)提供10mA的LDO通常具有99%電流效率，耗電低于20μA。另外，電源抑制在較高帶寬(217Hz)下具有較高性能。
Smart Mirror穩(wěn)壓器的PSRR大于80dB，在10KHz其PSRR仍然高于60dB。
非常高集成度的PMIC除集成多個(gè)高性能LDO外，通常包括高效率可編程輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器，單獨(dú)可選擇的LED驅(qū)動(dòng)器、可編程電池充電器，音頻驅(qū)動(dòng)器和其他功能。
降壓轉(zhuǎn)換器改善了電路效率和降低了功耗。帶集成開(kāi)關(guān)的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器可為基帶電路提供高電流、低電壓電源，用同步和異步模式，保證在寬電流定值范圍內(nèi)的效率，其電源效率大于90%。顯然，這對(duì)于移動(dòng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和通話時(shí)間是一個(gè)沖擊。
典型應(yīng)用
便攜煤體播放機(jī)
隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設(shè)計(jì)隨著更多系統(tǒng)需要電源軌，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)變得更復(fù)雜，采用簡(jiǎn)單的電源管理方案成為整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期的一個(gè)關(guān)鍵因素。
一個(gè)基本的PMIC適合于低功率系統(tǒng)，如便攜媒體播放機(jī)(見(jiàn)圖2)，這種系統(tǒng)一般包括數(shù)字和模擬功能，而且，系統(tǒng)中采用先進(jìn)的微控制器或DSP，從而需要分離的芯核和外設(shè)電源。實(shí)際上基本的PMIC可以用在采用單個(gè)鋰電池或3·3V電源的系統(tǒng)，例如，很多計(jì)算機(jī)接口(如PCMCIA、SD、MMC、Compact Flash和mini PCI)中。
PMIC提供基本的系統(tǒng)級(jí)電源管理方案，能處理ON/OFF控制，電源定序和電池監(jiān)控，使得PMIC成為較復(fù)雜系統(tǒng)的核心。用標(biāo)準(zhǔn)元件可以增加另外的功能(如附加的穩(wěn)壓器或電池充電)，使設(shè)計(jì)人員能快速地配置一個(gè)完整的系統(tǒng)。
移動(dòng)手持裝置
具有較高集成度的PMIC可以為移動(dòng)手持裝置中的應(yīng)用處理器(如Intel PXA27×處理器)和通信處理器提供所有的電源管理功能(見(jiàn)圖4)。
在系統(tǒng)中，PMIC提供電源，電池管理和有效設(shè)計(jì)的休眠模式功能并支持顯著節(jié)省功率的無(wú)線Intel SpeedStep 技術(shù)。
PMIC的高集成度與等效的分立元件方案相比，能顯著地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和大小。應(yīng)用處理器控制與外設(shè)功能有關(guān)的整個(gè)系統(tǒng)，而通信控制器突出在無(wú)線通信部分的控制。
應(yīng)用處理器和PMIC可以互連構(gòu)建一個(gè)帶少量附加元件的有效電源系統(tǒng)。
大多數(shù)手持系統(tǒng)要求以最低的功耗工作，以便保持較長(zhǎng)的工作時(shí)間。集成PMIC可提供幾種工作模式：電源中斷、上電啟動(dòng)、激活和休眠，具有小的形狀因數(shù)以及最小PCB面積
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