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(yán)謹(jǐn)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(yán)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?jǐn)z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)。》

 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(xì)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(fù)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(fù)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(fù)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(yán)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(yán)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(yán)謹(jǐn)?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。