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??? 現(xiàn)代便攜式裝置電源管理解決方案的開發(fā)商正面臨各種挑戰(zhàn)，不僅要讓設(shè)計(jì)更精巧、更便宜與更省電，還要有更大靈活性。一個(gè)平臺(tái)只須要略為修改就能適應(yīng)不同市場(chǎng)的各種終端產(chǎn)品。本文以一套便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)為例介紹三種不同的電源管理解決方案概念，同時(shí)說明這些概念會(huì)隨著主要需求不同而各有優(yōu)點(diǎn)與用途。這三種概念是完全集成設(shè)計(jì) (full integration)、熱最佳化局部集成設(shè)計(jì) (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立設(shè)計(jì) (layout-optimized discrete)，至于個(gè)別環(huán)境的最佳架構(gòu)則必須視整體的技術(shù)、應(yīng)用和商業(yè)需求而定。

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??? 便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為個(gè)人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (Personal Navigation Assistants)，是消費(fèi)電子市場(chǎng)成長最快的領(lǐng)域之一，可滿足使用者基本的方向感與導(dǎo)航要求。利用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位服務(wù) (LBS) 現(xiàn)仍在初步發(fā)展階段，但此領(lǐng)域?qū)⒆?010起快速成長，尤其是歐洲新部署的伽利略 (Galileo) 商業(yè)系統(tǒng)必然會(huì)帶動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展。便攜式導(dǎo)航功能還可擴(kuò)大應(yīng)用到其它的便攜式使用者裝置，這正是許多便攜式產(chǎn)品都必須面對(duì)電源架構(gòu)挑戰(zhàn)的原因。

本文重點(diǎn)放在售后零件市場(chǎng)的典型商用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)。圖1是這類系統(tǒng)的框圖。

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??? 系統(tǒng)的GPS衛(wèi)星接收器會(huì)將原始數(shù)據(jù)提供給處理器，處理器則根據(jù)數(shù)字地圖信息(通常透過儲(chǔ)存卡提供)比對(duì)這些數(shù)據(jù)，再以圖形和數(shù)字將結(jié)果顯示在6到12公分的大型TFT屏幕。系統(tǒng)通常還會(huì)提供USB接口以便數(shù)據(jù)交換使用，此接口有時(shí)還能做為充電電池的電源。控制接口通常包含觸控屏幕和某些按鍵，電源供應(yīng)則由一顆鋰離子電池和汽車電路系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)提供。充電電池能讓消費(fèi)者連續(xù)使用裝置數(shù)小時(shí)，例如行人可用它尋找特定地點(diǎn)。戶外專用裝置的要求則有所不同，譬如登山者或摩托車騎士就需靠著電池在外面使用一整天。系統(tǒng)還會(huì)透過集成式喇叭發(fā)出語音導(dǎo)航指示。多數(shù)制造商都會(huì)使用單一技術(shù)平臺(tái)，然后增加適當(dāng)功能以滿足不同市場(chǎng)需求。

電源管理要求

??? 此處所述的應(yīng)用環(huán)境基本上決定了電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要需求；除了電壓與電流外，它還要如圖1所示提供不同消費(fèi)者所需的功能。系統(tǒng)還須采取措施監(jiān)控充電電池、確保充電安全和控制屏幕亮度；另外，由于可用空間相當(dāng)有限，解決方案必須很精巧。儀表板位置須能減少熱量產(chǎn)生，因?yàn)橹苯悠貢裨谙娜贞柟庀聲?huì)使周圍溫度升高。接收機(jī)靈敏度是很重要的因素，它會(huì)對(duì)使用者造成直接影響。整個(gè)系統(tǒng)因此只能產(chǎn)生很少的電磁輻射，以避免內(nèi)部干擾造成接收機(jī)的信噪比下降。一套適用不同市場(chǎng)的共通平臺(tái)架構(gòu)還需要最大靈活性，以便支持硬件與軟件修改與其它附加功能。

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??? 電源管理架構(gòu)的主要需求可歸納如下：

• 設(shè)計(jì)精巧，零件數(shù)目很少；
• 電磁干擾很??；
• 靈活性設(shè)計(jì)；
• 電源效率很高，熱量產(chǎn)生很少。

??? 如何才能讓最佳架構(gòu)設(shè)計(jì)滿足這些要求？基本上有三種不同方法，它們各有其重點(diǎn)。本文將利用市場(chǎng)上買得到的組件詳細(xì)說明這些方法，然后討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

完全集成設(shè)計(jì)

??? 一種顯而易見的解決方案是把所有的有源 電源管理功能集成至一顆芯片。圖2就以德州儀器 (TI) 的TPS65820為例說明這種方式。這款芯片不僅有兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器提供電源給處理器芯核、程序內(nèi)存和閃存，還包含多組線性穩(wěn)壓器做為儲(chǔ)存卡的電源供應(yīng)以及衛(wèi)星接收器和音頻編譯碼器的低噪聲電源。它還集成電池充電電路以及屏幕背光照明的升壓轉(zhuǎn)換器，使一顆芯片就能提供所有的電源管理功能。

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??? TPS65820采用7×7mm QFN封裝。由于電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率很高，故能使用很小的電感與電容。此處的設(shè)計(jì)還將芯片的最大高度列入考慮，因此電路板的所有有源與無源元件高度都小于1毫米。

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圖3 完全集成式設(shè)計(jì)的元件位置安排 (芯片為紅色，電感黃色，電容藍(lán)色，電阻棕色，二極管綠色)，電路板面積約170平方毫米

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??? 整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)布局相當(dāng)精簡。這可以是項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，只不過它需要接近正方形的電路板空間，如果布局太不規(guī)則就可能發(fā)生問題。完全集成式解決方案的另一缺點(diǎn)是缺乏靈活性，很難同時(shí)達(dá)到不同市場(chǎng)的要求，譬如充電器對(duì)低端產(chǎn)品可能過于龐大，或者驅(qū)動(dòng)電路無法滿足高端系統(tǒng)的大型屏幕背光照明需求。完全集成式系統(tǒng)還可能造成應(yīng)用范圍受限，例如只能用在低成本而高產(chǎn)量的市場(chǎng)。

熱最佳化局部集成設(shè)計(jì)

??? 這種設(shè)計(jì)較注重靈活性，它會(huì)把平臺(tái)所有機(jī)種的相同電源供應(yīng)全部結(jié)合至一顆芯片。圖4以TI的TPS65050為例說明這種做法，它會(huì)提供電源給處理器芯核、外部內(nèi)存電路、衛(wèi)星接收器的儲(chǔ)存卡和模擬電路以及音頻編譯碼器。

圖4 利用TPS65050局部集成處理器相關(guān)電源，并以BQ24032A做為充電組件，TPS61061擔(dān)任白光LED驅(qū)動(dòng)器

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??? 屏幕背光照明的白光LED電源是由分立組件提供，這能讓同一平臺(tái)的不同機(jī)種使用不同的屏幕。例如只要以TPS60230之類采用電荷泵技術(shù)的解決方案取代分立式LED驅(qū)動(dòng)組件TPS61061，就能使用LED并聯(lián) (而非串聯(lián)) 的屏幕。

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??? 使用獨(dú)立充電組件BQ24032A讓「熱最佳化局部集成」更為明顯。2Ah以上高容量電池的充電電流最高可達(dá)到1.5A。由于應(yīng)用裝置在耗盡電力的電池透過此方式充電時(shí)仍須繼續(xù)工作，因此總電流會(huì)等于操作電流與充電電流之和，這將使充電組件因?yàn)橥獠侩娫磁c電池之間的電壓降而出現(xiàn)龐大功耗?！笩嶙罴鸦植考伞箘t將這項(xiàng)功能移到采用散熱最佳化封裝的獨(dú)立芯片，這樣就算出現(xiàn)很大的耗電也只會(huì)造成充電電流下降，而不會(huì)像完全集成式解決方案一樣導(dǎo)致過熱關(guān)機(jī)，或是因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器 (尤其是LDO) 的功耗而產(chǎn)生更多熱量。另外，只要使用獨(dú)立的充電組件，設(shè)計(jì)人員即可調(diào)整這項(xiàng)功能以適應(yīng)同一平臺(tái)的不同機(jī)種，例如采用大型或小型電池，或者選擇是否提供USB充電功能。

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圖5 熱最佳化局部集成設(shè)計(jì)的元件位置安排。顏色標(biāo)示方式與圖3相同，電路板面積約為165平方毫米。熱量主要來自BQ24032A和TPS65050，它們?cè)陔娐钒宓奈恢每梢员M量隔開

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??? 這種設(shè)計(jì)不會(huì)浪費(fèi)電路板空間，解決方案的大小與完全集成式設(shè)計(jì)差不多。元件的位置則更有靈活性，這對(duì)形狀不規(guī)則的電路板很有幫助。設(shè)計(jì)人員還能將溫度很高的組件放在適當(dāng)位置，并確保這些容易發(fā)燙的元件均勻分布在電路板上。

布局最佳化的分立解決方案

??? 如果從完全集成到熱最佳化局部集成算是一種局部分解，我們當(dāng)然能更進(jìn)一步創(chuàng)造出完全由分立元件構(gòu)成的解決方案。這類解決方案必然會(huì)有最多的元件，這不僅使元件清單和庫存管理更復(fù)雜，通常也會(huì)是最昂貴的架構(gòu)。但盡管如此，這類解決方案仍有許多值得采用的理由。

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??? 我們的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩(wěn)壓器，以TPS61061做為屏幕背光照明電源，處理器相關(guān)電源則由兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 (TPS62300)。分立解決方案必須采用晶圓芯片級(jí)封裝 (WCSP) 之類的先進(jìn)微型封裝技術(shù)，才能將設(shè)計(jì)縮小至完全集成或熱最佳化局部集成解決方案的水平。由于封裝的體積和寄生阻抗都很小，這類設(shè)計(jì)可將開關(guān)頻率提高至3MHz以便使用小型芯片線圈和輸出電容。這類解決方案還能采用芯片級(jí)封裝的線性穩(wěn)壓器，例如此處所用的TI TPS799xx組件。

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圖7 分立解決方案的元件位置安排。顏色標(biāo)示方式與圖3相同，所需電路板面積約為175平方毫米。設(shè)計(jì)的形狀會(huì)隨著電路板形狀而改變

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??? 只要采用最合適的微型封裝組件，這類設(shè)計(jì)就能將電路板面積縮小到高度或完全集成式解決方案的水平。

有兩種理由可能促使設(shè)計(jì)人員選擇分立解決方案。首先，許多電路板的形狀很不規(guī)則，尤其使用電池的便攜式產(chǎn)品最常遇到這種情形。它們有很多凹口來安裝電池、控制組件、天線或屏幕。日益流行的平面模塊則讓電路板參差不齊，有時(shí)甚至無法使用高度集成的解決方案。隨著電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率達(dá)到2MHz以上，無緣元件的位置必須盡量靠近組件引腳以避免電路不穩(wěn)定并降低電磁干擾。完全集成式解決方案對(duì)元件位置的限制很嚴(yán)苛，任何改變都會(huì)影響系統(tǒng)功能。這類 電源管理方塊大都采用正方形或略似長方形的結(jié)構(gòu)。

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??? 若采用分立解決方案，就算是很不規(guī)則的電路板也能實(shí)現(xiàn)功能完整的設(shè)計(jì)。使用分立設(shè)計(jì)的第二個(gè)理由是可將電磁干擾減至最小。導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度是非常重要的使用者考慮因素，必須在天線端提供良好的信噪比才能確保接收靈敏度。分立設(shè)計(jì)可以將潛在的噪聲源與干擾源安排在距離天線較遠(yuǎn)的地方，同時(shí)將線性穩(wěn)壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線的位置。除此之外，我們也更容易在設(shè)計(jì)發(fā)生問題時(shí)更換特別重要的元件，而不必從頭修改整個(gè)設(shè)計(jì)。例如背光照明就是非常重要的功能，這是因?yàn)槎鄶?shù)用來驅(qū)動(dòng)白光LED的升壓轉(zhuǎn)換器都會(huì)泄漏電流，所以在某些情形下會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在完全集成式組件里，背光驅(qū)動(dòng)器的電磁輻射是一項(xiàng)非常重要的特性，若發(fā)生問題就可能需要使用另一顆獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)組件，而對(duì)產(chǎn)品成本造成不利的影響。

未來展望

??? 本文重點(diǎn)放在個(gè)人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (PNA) 這種目前最常見的便攜式導(dǎo)航裝置。我們現(xiàn)在將開始考慮每一種做法的未來發(fā)展性。舉例來說，導(dǎo)航系統(tǒng)與便攜式多媒體應(yīng)用的集成不僅是在意料之中，而且很有必要。MP3播放機(jī)的集成不需額外的 電源管理組件，因此不用大幅修改平臺(tái)即可將此功能加入導(dǎo)航系統(tǒng)。視頻播放機(jī)的集成則完全不同，儲(chǔ)存媒體(多半是硬盤)通常需要升降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生操作電壓。大型屏幕需要更多LED做為背光照明，故需更強(qiáng)大的電源轉(zhuǎn)換器。如果高畫質(zhì)視頻應(yīng)用也在規(guī)劃中，整個(gè)處理器電路有時(shí)就要徹底修改，因?yàn)樗枰\(yùn)算能力更強(qiáng)大的其它處理器單元，但這也會(huì)使總電流消耗大增。想在不使用汽車電源的情形下延長產(chǎn)品工作時(shí)間，電池的容量就必須增加。此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)比較像一臺(tái)包含導(dǎo)航等擴(kuò)充功能的便攜式視頻播放機(jī)。這些概念還能用于便攜式游戲應(yīng)用。熱最佳化局部集成是這類匯聚系統(tǒng) (convergent system) 的最佳解決方案，因?yàn)檫@種解決方案能將處理器相關(guān)功能的電源管理標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)維持完整的外圍設(shè)計(jì)靈活性。匯聚系統(tǒng)的完全集成芯片常遇到內(nèi)建電源轉(zhuǎn)換器不符實(shí)際需求的情形，熱最佳化局部集成解決方案則能避免這類問題，進(jìn)而將系統(tǒng)成本最佳化。

結(jié)語

??? 本文介紹的三種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設(shè)計(jì)工作。完全集成式解決方案適合不需靈活性的高產(chǎn)量應(yīng)用，分立解決方案則有助于實(shí)現(xiàn)困難電路板布局并達(dá)到嚴(yán)苛的電磁兼容性要求。熱最佳化局部集成解決方案通常是前兩種做法的折衷，特別適合必須支持不同市場(chǎng)的模塊化設(shè)計(jì)。

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??? 特定環(huán)境下的最佳做法須視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要需求而定。整體需求是由個(gè)別市場(chǎng)需要、技術(shù)可能性和商業(yè)環(huán)境等許多因素組合而成，因此各部門必須在概念階段密切合作才能得到最好的結(jié)果。幸而TI等大型半導(dǎo)體廠商已能提供種類廣泛的組件支持這些概念，并由受過電源管理技術(shù)專業(yè)訓(xùn)練的應(yīng)用工程師提供協(xié)助。

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