如何為便攜式多媒體處理器供電

引言

在現(xiàn)代應(yīng)用中，傳統(tǒng)的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)正逐漸被開關(guān)電源(SMPS)所取代。雖然LDO是一個(gè)成本低廉而且強(qiáng)固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來(lái)越多的便攜設(shè)備廠商，像數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA制造商，都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開關(guān)解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠商無(wú)法逾越的障礙。

STw4141是一個(gè)創(chuàng)新的開關(guān)電源，只使用一個(gè)外接線圈就能產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的輸出電壓。因?yàn)槠鋬?nèi)在的開關(guān)特性，這個(gè)芯片的效率很高，而且所需的外部組件數(shù)量極少。該產(chǎn)品的效率可以與兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)電源媲美，尺寸相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設(shè)備中的線性電源，或者縮減開關(guān)穩(wěn)壓器的物理尺寸和成本。

工作原理

先簡(jiǎn)要地了解一下傳統(tǒng)的降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器，STw4141創(chuàng)新的雙輸出拓?fù)渚褪窃醋赃@種設(shè)計(jì)。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣M件包括PMOS和NMOS組成的功率級(jí)、線圈L、輸出電容C和反饋控制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開關(guān)，占空比為D1.。當(dāng)PMOS晶體管導(dǎo)通時(shí)，線圈電流開始上升，斜率為：

(1) 當(dāng)NMOS晶體管導(dǎo)通時(shí)，線圈電流開始下降，斜率為：

圖1 降壓拓?fù)?/p>

(2) 在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，下列條件必須有效：

(3)

(4) 公式3是指每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)的線圈電流IL必須等于每個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)的線圈電流IL(否則系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài))。從這個(gè)條件，我們可以得出降壓轉(zhuǎn)換器的占空比公式。

(5) 公式4指線圈產(chǎn)生的總電量必須等于負(fù)載消耗的總電量，假設(shè)所有的開關(guān)和RDSon損耗忽略不計(jì)。

圖 2 線圈電流波形

對(duì)于雙輸出拓?fù)?，在STw4141穩(wěn)壓器中，線圈產(chǎn)生的電流分配給兩個(gè)輸出端，從這兩個(gè)輸出端口獲得的負(fù)載電流可以(實(shí)際上總是)完全不相關(guān)。因此，公式4的穩(wěn)態(tài)條件必須改寫成：

(6) 其中，Iload1 是負(fù)載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負(fù)載從輸出2汲取的電流。

圖 3 STw4141拓?fù)?/p>

為了按照公式6分配電量，系統(tǒng)就需要增加兩個(gè)開關(guān)MOS1和MOS2，如圖3所示。當(dāng)MOS1導(dǎo)通時(shí)，線圈內(nèi)貯存的電量就會(huì)傳送到輸出1;當(dāng)MOS2導(dǎo)通時(shí)，線圈內(nèi)貯存的電量就會(huì)傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關(guān)，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1。可以說(shuō)占空比D1是測(cè)量系統(tǒng)能夠傳輸?shù)目傠娔艿臉?biāo)準(zhǔn)，而占空比D2則是測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸出之間分配的總電能的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的最重要因素是，該系統(tǒng)只需一個(gè)線圈。

圖4是雙輸出拓?fù)渚€圈電流的波形。與傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器不同，雙輸出拓?fù)溆腥齻€(gè)主要相位：(Vbat-Vout2)/L上升斜率;-Vout2/L下降斜率;-Vout1/L下降斜率。在本例中，D2>D1，但是，當(dāng)D2

圖4 線圈電流波形

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性能

提高效率的措施包括同步整流、采用脈頻調(diào)制PFM模式、最大限度降低RDSon功耗和先進(jìn)的內(nèi)部啟用/禁用策略。

同步整流用于降低二極管D前向電壓而產(chǎn)生的功耗(見圖1)，在二次循環(huán)期間，NMOS晶體管短接二極管D，導(dǎo)致功耗降低，這是因?yàn)?/p>

(7) 線圈內(nèi)的電流可能會(huì)逆轉(zhuǎn)是同步整流技術(shù)已知的缺點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致功耗增加。STw4141解決了這個(gè)難題，方法是當(dāng)IL=0時(shí)，將NMOS晶體管關(guān)斷，預(yù)防線圈內(nèi)電流回流。STw4141的同步整流方法在中等負(fù)載條件下極大地提高了效率。

在負(fù)載極低時(shí)，通過(guò)進(jìn)入PFM模式，效率得到進(jìn)一步提高。在PFM模式下，功率轉(zhuǎn)換不再與內(nèi)置振蕩器同步，而是根據(jù)需求量向輸出端傳送電能。功率級(jí)換向頻率最小化，再加上禁用PFM模式下無(wú)用的內(nèi)部振蕩器，使STw4141變得更加省電，如圖5所示。STw4141能夠自動(dòng)選擇模式，無(wú)需用戶介入即可實(shí)現(xiàn)最佳的效率。

圖 5 效率特性

PFM模式的使用方式取決于芯片的應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)樵赑FM模式下功率轉(zhuǎn)換是異步的，電磁輻射可能會(huì)在應(yīng)用敏感的頻率下產(chǎn)生頻譜噪聲。如果存在這種制約因素，那么可以使用兩種方法進(jìn)行配置：PFM模式完全禁用;用戶可以覆蓋自動(dòng)開關(guān)，強(qiáng)制進(jìn)入工作模式。設(shè)計(jì)人員利用覆蓋功能可以設(shè)計(jì)一個(gè)既節(jié)能省電又無(wú)頻譜干擾的電源系統(tǒng)。在待機(jī)模式下,任務(wù)時(shí)段性完成95%過(guò)程的應(yīng)用處理器是這種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，因?yàn)檫@種處理器還必須在待機(jī)模式下保存數(shù)據(jù)，所以可以用待機(jī)模式供電。在收到處理器喚醒信號(hào)前幾微秒內(nèi)，芯片被強(qiáng)制進(jìn)入脈寬調(diào)制模式(PWM)，并且保持這種模式一直到高級(jí)系統(tǒng)使處理器返回到睡眠模式為止。

附加功能

頻譜干擾是一個(gè)問(wèn)題，可能存在于敏感應(yīng)用中，業(yè)內(nèi)一直在研究這個(gè)現(xiàn)象。一份研究報(bào)告顯示，在實(shí)際應(yīng)用中，某些頻率是應(yīng)該避免的，而其它頻率并不影響整個(gè)系統(tǒng)。STw4141內(nèi)部振蕩器(考慮到它的頻譜)的頻率可能在有害頻帶內(nèi)?；谶@個(gè)原因，配備了鎖相環(huán)(PLL)，允許用戶在有害頻帶以外的寬頻范圍內(nèi)同步內(nèi)部振蕩器。鎖相環(huán)還可以抑制內(nèi)置振蕩器的頻譜，使STw4141與系統(tǒng)的其它組件同步。

高壓輸出Vout1通常用于I/O引腳結(jié)構(gòu)(VIO)，低壓輸出Vout2通常用于數(shù)字核心(VCORE)。為了支持多種處理器，可以提供VIO電壓不同和VCORE電壓范圍1.0V到1.8V的多種產(chǎn)品。用戶可以通過(guò)專用引腳設(shè)置輸出電壓。這個(gè)功能在通過(guò)降低進(jìn)入睡眠模式的應(yīng)用處理器電源電壓來(lái)節(jié)省電能的應(yīng)用場(chǎng)合十分有用。VCORE控制可以和前文提到的模式控制(PWM/PFM)配合使用，但是兩者之間存在很大的不同：VCORE控制可降低應(yīng)用處理器的功耗，而模式控制可降低芯片的功耗。兩項(xiàng)功能都可降低整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的功耗。

此外，STw4141具有峰值電流限制和熱保護(hù)功能，峰流限制功能不僅用于保護(hù)芯片本身，而且還限制芯片從電池汲取的電流。因?yàn)殡姵貎?nèi)部串聯(lián)電阻的原因，從電池汲取過(guò)多的電流可能會(huì)使電池電壓產(chǎn)生很大的變化。

典型應(yīng)用

導(dǎo)致STw4141降低尺寸及成本的最重要因素是只需一個(gè)外部線圈，而普通電源則需要兩個(gè)。圖6所示是推薦的外部組件布局，這是一塊為完整應(yīng)用設(shè)計(jì)的面積僅為7 x 8 mm的電路板。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，線圈是體積最大的組件，同時(shí)節(jié)省電路板空間也正是這個(gè)組件，其次， BGA封裝也在節(jié)省電路板空間上發(fā)揮了重要作用。

圖6 STw4141應(yīng)用電路板

圖 7 典型應(yīng)用

STn8810多媒體應(yīng)用處理器 (NOMADIK)以及STV0984 + VS6750圖像處理器和200萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器的共性是，數(shù)字核心電壓(VCORE)與I/O引腳電源電壓(VIO)的要求不同。圖7是一個(gè)CMOS相機(jī)應(yīng)用的電路示意圖，VCORE電壓(1.2 V)供給數(shù)字核心STV0984，而VIO電壓(1.8V)用于供給VS6750以及STV0984的I/O結(jié)構(gòu)。這樣的布局設(shè)計(jì)使得應(yīng)用電路板的尺寸極其緊湊。