便攜式應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)中的電源管理

當(dāng)今便攜式應(yīng)用處理器的電源管理解決方案的集成度越來(lái)越高?？偣?、待機(jī)和深度睡眠的電流消耗會(huì)影響電池的大小、物料單(BOM)的成本和產(chǎn)品的認(rèn)知度。

當(dāng)設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備—如智能電話(huà)或PDA—的時(shí)候，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮許多電源的變量。隨著它們消耗的功率越來(lái)越大，智能電話(huà)要求高度集成的電源管理解決方案，以便在盡可能最小的PCB面積中實(shí)現(xiàn)電池壽命最長(zhǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

當(dāng)今的應(yīng)用處理器需要為內(nèi)核、I/O、存儲(chǔ)器和外部設(shè)備等等提供不同的電源域。例如，LP3971就是一種設(shè)計(jì)用來(lái)滿(mǎn)足所有這些要求的電源管理單元(PMU)，它利用了3個(gè)高效率的降壓轉(zhuǎn)換器和6個(gè)低壓差(LDO)調(diào)整器。

應(yīng)用處理器需要多種電源電壓，這些電壓可以通過(guò)核心電源管理和系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)
化。LP3971具有由I2C控制的輸出電壓、工廠可配置的上電順列和缺省的輸出電壓，可以滿(mǎn)足范圍廣闊的系統(tǒng)要求。

本文重點(diǎn)討論如何利用諸如LP3971之類(lèi)的器件與降壓型轉(zhuǎn)換器及LDO功能相結(jié)合，為PDA/智能電話(huà)應(yīng)用中的微處理器的低電壓供電。

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，必須對(duì)架構(gòu)進(jìn)行平衡，包括成本、PCB面積、元器件大小、通話(huà)時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、電池容量和進(jìn)度表等等的要求。微處理器RAM需要1.5V、最大電流為400mA的電源。讓我們從最簡(jiǎn)單、成本最低的解決方案—直接連接到鋰電池的LDO—開(kāi)始(下圖1)。

 
 
電池電壓將從4.2V開(kāi)始跌落到3.2V，在該電平系統(tǒng)進(jìn)入深度睡眠，直到電池被充電或更換。圖2所示為一個(gè)典型的鋰電池放電周期。

對(duì)于如圖1所示的配置，LDO 5的效率將是：

LDO百分比效率= [(Vout * Iout) / Vin * (Iout + Iq)] * 100

對(duì)于本文中這個(gè)和其它的例子，相對(duì)Iout(400mA)而言，Iq因?yàn)榉浅Ｐ”缓雎粤?40mA)。

效率方程式然后變?yōu)椋?

百分比效率=[(Vout)/(Vin)] * 100。

對(duì)于Vin = 4.2V 且 Vout = 1.5V, LDO的效率為1.5/4.2 = 36%?？偣β蔖t = 4.2 * 0.400 = 1.70W。

所有沒(méi)有被傳遞到輸出負(fù)載的功率將以熱量的形式在LDO內(nèi)部被耗散掉。耗散功率為：

耗散(Pd) = (Vin - Vout) * Iout = (4.2 - 1.5) * 0.400 = 1.1W, 耗散為熱量。[!--empirenews.page--]

我們剛剛計(jì)算了最大連續(xù)功率(Pt)。RAM在這個(gè)功率電平工作的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。如果我們考察10%的占空周期，則平均功耗將是： Pt = 0.10 * 1.7 = 0.17W RAM以Imax的電流工作的時(shí)間取決于應(yīng)用、電源管理固件和操作系統(tǒng)。在圖2中，電池電壓穩(wěn)定在4.2V的時(shí)間不長(zhǎng)。在3.6V的標(biāo)稱(chēng)電池電壓，Vout仍然是1.5V；LDO的效率為42%。

如果系統(tǒng)要求較低的功耗，那么，如圖1所示的配置是不能接受的，要考慮如圖3所示的解決方案，在它上面的LDO 5的輸入被連接到降壓轉(zhuǎn)換器的輸出，該輸出被設(shè)置為1.8V以給存儲(chǔ)器供電。對(duì)于如圖3所示的配置，如果LDO 5的輸入被連接到1.8V的電源軌，那么，效率的計(jì)算方法如下： 效率=Vout/ Vin = (1.5V/1.8V) * 100 = 83%

耗散的功率估算如下： Pd = (Vin - Vout) * Iout = (1.8 - 1.5) * 0.400 = 0.12W, 該功率將以熱量的形式消耗掉。

LDO 5的效率是83%。注意：如果我們要采用開(kāi)關(guān)電源而不是LDO 5，該效率可能低至85%，對(duì)于該模塊來(lái)說(shuō)，僅僅改善了2%。然而，整個(gè)效率取決于所采用的轉(zhuǎn)換器類(lèi)型。

利用LP3671降壓轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表提供的效率曲線(圖4)，因?yàn)槿绱?，整個(gè)系統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換DC/DC+LDO的效率將為78%。LDO是最低成本、最小體積和最低噪聲解決方案。

如果增加另外一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器以給RAM供電，就要增加了非常大的外部電感器(3mm x 3mm，10 mm2)，從而增加電路板的面積及整個(gè)系統(tǒng)的噪聲。如果沒(méi)有1.8V電源，那就可以采用任何低于Vbatt的降壓轉(zhuǎn)換器電壓軌。LDO的輸入電壓越低，效率就越高，只要輸入電壓高于Vout + Vdropout。

當(dāng)采用LDO為低電壓微處理器供電的時(shí)候，沒(méi)有理由表示擔(dān)心。要問(wèn)問(wèn)你自己：“為了把系統(tǒng)的效率提高僅僅百分之幾，我真的需要采用一個(gè)額外的降壓轉(zhuǎn)換器和電感器嗎？”

利用降壓轉(zhuǎn)換器給低電壓軌供電將增加電源管理IC的體積，如果增加一個(gè)3mm x 3mm的電感器，就會(huì)增加BOM的成本和PCB的面積。相比之下，LDO的成本低廉、外形小且便于使用。它還是能夠針對(duì)你的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的噪聲最低的解決方案。