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复杂的移动终端产品系统级电源管理设计方法

52RD.com 2005年12月29日 Dialog Semiconductor公司            评论:0条 我来说两句
  

引言:要想继续保持较长的电池寿命,就必须改善设备的电源管理设计,更加注重如何将多种必要的电源管理功能集成到一项技术中,同时又不牺牲技术性能。基于Smart Mirror专有架构的电源管理子系统IC就实现了一种系统级电源管理方法。

电池技术的进步以及业界对具有低工作电压的多电源域的需求正在对便携式电子设备的电源管理系统设计提出一些新的要求。

图1:DA9025电源管理芯片。

在为手机、便携式媒体播放器等电子设备中增加新功能时,要想继续保持消费者已经习惯的待机时间长度,就必须改善设备的电源管理设计。随着多媒体音频、视频和游戏功能的日益普及,不可避免地导致系统电池消耗增大。用户并不会注意到这些影响,所以制造商有责任延长设备(例如手机)的待机时间,使其与上一代产品相当。

在电池的化学特性方面,大多数用户和专业移动应用都选择锂离子或锂聚合物这类基于锂技术的电池,因为这类电池不但容量特性出色,而且能提供3.3V到4.2V的终端电压范围。为了最大程度地延长工作时间,IC电源电压一直呈下降趋势。

传统上,设计人员可以在多个不同厂商生产的各种低集成度电源管理部件现货中进行选择,因而产品开发速度很快。但随着系统日益复杂,需要控制的地方越来越多,例如,通过关闭不用的功能以优化电源效率,或者在同一块IC上运行多电源时确保正确而稳定的操作。

复杂性提高更使得系统需要具备基本的电压产生和调节功能。可通过给已用的部件增加额外元件来满足这些要求,但这样做难免会增加成本,更重要的是在很多情况下这会增大PCB面积。

因此必须更加注重如何将多种必要的电源管理功能集成到一项技术中,同时又不牺牲技术性能。例如,典型的手持设备中包含一块锂电池、主功能控制处理器、存储器、外设(如显示器)、内存扩展(SD或MMC卡等),以及数据转换或传感器接口等模拟功能。

这种系统需具备多个不同的电源域,因为不同功能块有不同的电源要求。处理器通常需要两个电源,低压用于内核以减小功耗,高压用于连接其他设备。模拟功能需要较高的电源电压,以保证足够的工作余量或提供强大的输出驱动,而且由于显示器尺寸和复杂度不断增大,显示驱动也需要更高的电压。

除了供电问题之外,设计人员还需要考虑以下问题:

系统怎样上电:仅用一个机械开关就足够还是需要电子方法上电,例如传感器电路的输出或报警信号;上电部件如何与控制器接口(典型的例子是兼具电源和其他功能的双功能按键)?

当电池电压超出正常范围内时(电压过高和电压过低)会发生什么情况?不同电源如何排序?存在多电压域时需要最先激活电压最高的电源以避免IC死锁。数据保持或休眠功能是否需要不间断电源?如何在不取掉电池的情况下关断系统?

解决以上这些问题可利用诸如上电复位(POR)电路、电池监控IC和PLD等标准部件,不过这给系统增加了元件,使成本提高,而且占用更多的PCB面积。

从系统级角度考虑有助于在IC中集成更强大的功能。为了实现这种系统级电源管理方法,Dialog Semiconductor设计了一系列电源管理子系统IC。

这些IC的种类范围从简单的单一功能器件,例如低压差线性稳压器(LDO)或开关转换器,到具备所有功能的精密复杂的SoC电源管理IC。DA9025就是其中一款,该器件能为锂电池供电的便携式应用提供核心功能。芯片内采用高效电路以便最大程度延长电池寿命,其核心功能(见图1)是一个高效降压变换器和5个低静态电流、低压差线性稳压器,采用Dialog Semiconductor公司的Smart Mirror专有架构。

DA9025直接与一个电池组连接,无论是否带有控制器都能工作,而且能提供一种产生和控制多种系统电源的方法,主要针对采用单一锂离子电源的便携式应用。在最简单的系统中采用适当的电池电压或使能信号就能启动器件,激活所有稳压器。

DA9025会持续工作,直到用户使用ONKEY管脚关断器件,或者发生错误状况,例如电池电压过低等。也可以将器件连接到一个微控制器,通过专用管脚进行简单控制,或通过I2C总线实现更复杂的控制。

DA9025中包含4个低压差稳压器,这是专为系统不同部分提供稳定电压而设计的。这些稳压器已经针对低噪声、高电源抑制或低静态电流等关键的系统参数进行了优化。其中有两个LDO由于具有低噪声以及超过80dB的电源抑制特性,因而可用于为音频或RF电路供电。

给稳压器供电的电池部分是分开的,以达到最大程度的隔离。在I2C总线控制下,稳压器的输出电压也是可编程的。第五个集成稳压器用于为实时时钟供电,当电池被连接在器件上时,该稳压器就一直保持激活状态,但其静态电流极低。

除了4个稳压电源之外,DA9025中还包含一个1.8V 400mADC-DC降压变换器。在许多系统中,降压变换器都用于为系统处理器和存储器供电。

可以根据负载电流大小将降压变换器设置为同步或异步工作模式,以优化工作效率。变换器中已经集成了开关FET,因而需要的外部元件很少。在I2C总线的控制下,降压变换器的输出电压也是可编程的,所以可用于为超低压的处理器供电。

Smart Mirror技术

Smart Mirror是Dialog Semiconductor的一种独特的技术,能根据负载需求的变化自动调整稳压器控制电路的偏压。采用这种技术的稳压器能够将输出电流的需求反馈给偏压发生器,在电流需求降低时自动减小偏压,从而实现静态电流的动态控制。

这使得稳压器在一个宽泛的工作电流范围内都具有很好的PSRR(电源电压抑制)和动态性能,而不受通常的设计限制(除了负载最重的情况外一律采取过偏压)。采用独立的自适应偏压控制就不再需要低功耗工作模式,因而在电流需求较低时也不再需要用户介入才能切换到低功耗模式。

这种自适应偏压确保稳压器始终处于最佳工作点,因此能提供最高级别的PSRR(通常高达80dB),同时电流消耗最低。电源电压抑制也在较大带宽上保持更高的水平,在217Hz上Smart Mirror能提供超过90dB的PSRR;即使在10kHz上,PSRR仍高于60dB。

由于Smart Mirror是一种全自动偏压控制技术,因而在零负载情况下静态电流消耗很低(通常为15uA甚至更低)。而在传统的稳压器中,只有当器件被软件或硬件配置为低功耗或“ECO”模式时才可能达到如此低的静态电流。而这使系统设计更加复杂,并且需要额外的软件来控制,或增加管脚和PCB走线。

在最简单的系统中,DA9025作为一个独立器件工作(这种情况对没有控制器的系统而言是理想配置),提供6个预定义好的稳压电源。它支持便携式应用中常见的系统电压,例如1.8V和2.8V。

不过,如果所有电压都固定,缺乏灵活性就会削弱器件集成度增大所带来的好处,因此,DA9025除了为基本电源管理提供组件模块以外,还为适应系统中常见的所有电源电压提供多种不同的默认电压配置,包括1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。此外,如果默认的电源启动顺序不合适,还可以选择颠倒启动顺序。这些选择确保所设计的系统处于最合适的电源电压下。

该设计支持多种上电检测可选方案(例如,可选择输入信号低电平或高电平有效),还可提供系统复位信令,以及用于连接上电信号的开漏缓冲输出。

精密比较器监测电池状态是否出现电压过高或过低的情况,一旦出现这类情形,比较器就会将系统关断。在系统激活时,电压最高的电源最先激活,其他电源每隔200us激活一个,以便将稳压器对其充电电容器进行稳定和充电时的启动电流降至最低。

另外,采用器件的总线还可以实现输出电压编程和个别电源掉电控制等额外控制功能。I2C是双向总线,通过它能访问状态和故障寄存器。这个寄存器用于记录事件而且随后可以查询。

如果与一个处理器配合使用,DA9025还能支持看门狗功能,即由处理器向一个仍处于工作状态的电源管理IC周期性地发送信令。该功能对软件死锁时的器件保护十分有用,如果没有这项功能,那么当软件出现死锁时,器件的工作状态会被冻结,只有取掉电池并重启系统,器件才能重新工作。

DA9025的典型应用:便携式媒体播放器

由于需要多电源的系统越来越多,设计人员的任务也愈加艰巨。他们面临着日益缩短的上市时间要求,为满足这一要求,找到简单易用的电源管理方案就变得至关重要。

图2:一个简单的便携式音频播放器电源管理子系统。

DA9025的灵活性使它非常适于低功耗系统以及采用先进微控制器或DSP的系统,前者通常包含数字和模拟功能,而后者的内核和外设通常需要单独的电源供电。DA9025能提供一种基本的系统级电源管理方案,进行开/关控制,实现顺序上电和电池监控,因此它能用于为更复杂的系统内核供电。此外,设计人员还可以利用现有的标准元件为其添加附加稳压器或电池充电等额外功能,从而使得设计人员能够快速配置完整的系统。

尽管DA9025主要是针对采用单锂电池供电的系统,但它也能用于具有3.3V电源的系统中,例如用于PCMCIA、SD、MMC、CF和迷你PCI等计算机接口。便携式音频播放器就是DA9025成功应用一个典型例子(见图2)。

采用系统级方法在IC中集成最常见功能的主要益处在于加快上市时间,因为这种方法提前解决了一些通常要在开发阶段中期才会考虑的问题。此外,也可以选择采用全SoC方法,这样得到的IC功能往往十分灵活,足以应付多种不同的应用,同时也让设计人员有足够的自由,能够轻松地根据需要添加额外功能。

作者:David Brooke

Dialog Semiconductor公司

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