《電子技術(shù)應(yīng)用》
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UMPC和MID的電源系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)及解決辦法
摘要: UMPC(超便攜移動個人電腦)和MID(移動互聯(lián)網(wǎng)終端)是近年來最具成長潛力的便攜式電子產(chǎn)品。作為一種硬件設(shè)計小巧輕便的設(shè)備,通過UMPC,用戶可以享受移動互聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢,還可以在移動過程中訪問多種辦公應(yīng)用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類似,同樣為便于攜帶的移動PC產(chǎn)品,便于用戶隨時享受影音娛樂、進行郵件收發(fā)等操作。
Abstract:
Key words :

    UMPC(超便攜移動個人電腦)和MID(移動互聯(lián)網(wǎng)終端)是近年來最具成長潛力的便攜式電子產(chǎn)品。作為一種硬件設(shè)計小巧輕便的設(shè)備,通過UMPC,用戶可以享受移動互聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢,還可以在移動過程中訪問多種辦公應(yīng)用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類似,同樣為便于攜帶的移動PC產(chǎn)品,便于用戶隨時享受影音娛樂、進行郵件收發(fā)等操作。

    更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移動特性使得UMPC和MID產(chǎn)品對電源系統(tǒng)的性能、功耗、保護及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID產(chǎn)品需要向處理器、存儲器、顯示器和其它部分提供不同的工作電壓,以減少處理器消耗的電量,延長電池的運行時間,并提高電池的供電效率。因此,本文將從UMPC和MID中的處理器、存儲器、顯示器這幾個方面著手對其電源系統(tǒng)設(shè)計進行深入探討。

    多個電壓軌的安排成為一大挑戰(zhàn)

    UMPC和MID設(shè)備現(xiàn)已成為一個集成多種功能的平臺,該平臺上匯集了消費者所能想象的幾乎所有功能,如移動電話、網(wǎng)頁瀏覽、辦公軟件、電子郵件、藍牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戲、數(shù)碼相機、移動電視、多媒體播放器等等。無疑,如此高的集成度將給電源系統(tǒng)設(shè)計帶來重大的挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)包括高功耗、散熱、高效電源管理、EMI和噪聲消除等問題。飛兆半導(dǎo)體公司(Fairchild)資深工程師李仁果認為,解決上述挑戰(zhàn)的途徑包括:利用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)解決方案提高功效;通過良好的電路板布局改進散熱和EMI;高性能DC/DC功率模塊加上具有低噪聲LDO的低VIN解決方案在設(shè)計靈活性、易用性和成本因素方面優(yōu)于電源管理單元(PMU)。

    在將上述多個功能模塊組合在一起時,由于每一個內(nèi)核芯片都有其自己的上電順序,因此系統(tǒng)設(shè)計人員不能像在功能手機中那樣共享電壓軌。“在3×3英寸的面積中安排多達20多個電壓軌是一個巨大的挑戰(zhàn)。集成的電源解決方案應(yīng)該是一個不錯的解決方案。但對于芯片設(shè)計人員而言,如何在靈活性和集成度之間實現(xiàn)平衡是一個非常大的挑戰(zhàn)。”德州儀器(TI)中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為表示。

    但所有的功能模塊并不需要在同一時間內(nèi)使用,因此總體而言,電池容量足以支持功能擴展的趨勢。此外,MID/UMPC并不是一個純粹的娛樂設(shè)備,它還可作為工作的有益工具。終端用戶需要知道他們可播放視頻的時間長短、可上網(wǎng)的時間長短以及可通過Skype/MSN和客戶聊天的時間長短。這樣就可以分配時間并保存實現(xiàn)必要功能所需的電池能量。因此,在許多應(yīng)用中,能夠精確預(yù)測電池運行時間變得至關(guān)重要。

    另一個挑戰(zhàn)在于保持同等(甚至更長)電池工作時間,而不會顯著增加電池尺寸。安森美半導(dǎo)體數(shù)字及消費產(chǎn)品部系統(tǒng)及應(yīng)用經(jīng)理Jacques Lavernhe強調(diào),MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、藍牙等多種無線協(xié)議,除了集成電源管理集成電路(PMIC)和電源空間間隔尺度等電源管理技術(shù),還應(yīng)該特別注意節(jié)省通信設(shè)備物理層(PHY)輸出的能量。在工作階段,無線物理層一直在睡眠與工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。“在睡眠狀態(tài),RF功能關(guān)閉,但數(shù)字內(nèi)核仍在工作??衫脛討B(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術(shù)來節(jié)省大量電能。”

    同樣是考慮到在一個外形纖巧的設(shè)計中能實現(xiàn)以上所有功能以及較長的電池壽命,美信集成產(chǎn)品公司(Maxim)Infopower業(yè)務(wù)總監(jiān)Mehdy Khotan也表示,在MID及UMPC設(shè)備中,需要多達30至40個電壓調(diào)節(jié)器對處理器和所有外設(shè)供電。需要具有高效調(diào)節(jié)器和最少外部元件的高集成度PMIC來盡可能地延長電池壽命,并減小MID/UPMC的尺寸。

    由于UMPC產(chǎn)品中普遍需要多個不同的電壓軌(通常由單節(jié)鋰離子電池來提供),其中包括多個微處理器電壓軌以及眾多的特殊功能電路電壓軌。因此,人們迫切要求電池能提供所需的功率。不過,電池的外形尺寸相對較小,而且功率密度也只實現(xiàn)了中等程度的增加。在這種情況下,電池運行時間和良好的熱管理都成為了重要的賣點,對于非常緊湊且具有高效率的多輸出同步轉(zhuǎn)換器的需求便應(yīng)運而生。

    轉(zhuǎn)換效率上的提升使得同步降壓、升壓或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比,在電池運行時間上獲得了實質(zhì)性的改善。此外,這些轉(zhuǎn)換器還提供了約95%的效率,并免除了增加任何散熱裝置的需要。凌力爾特公司(Linear)針對便攜式電源管理應(yīng)用提供的產(chǎn)品擁有許多獨特優(yōu)勢,包括:高開關(guān)頻率(高達8MHz)、高效轉(zhuǎn)換(以最大限度地減少熱問題)、輕負載時的高效率、待機模式中的非常低靜態(tài)電流(低至9μA)和高集成度(內(nèi)置了集成MOSFET和肖特基二極管)。該公司近期推出的多輸出同步降壓和降壓-升壓型穩(wěn)壓器系列即可提供這種超緊湊型的高效率解決方案(如LTC3544、LTC3545等)。

    在低成本、外型輕薄和具有移動上網(wǎng)功能的前提下,UMPC/MID的電源設(shè)計還必須擺脫傳統(tǒng)個人電腦外部零件復(fù)雜、具有較高的輸出噪聲和待機功耗、較高BOM成本等限制。為此,阿瑟萊特科技(AXElite Technology)針對UMPC/MID推出了兼具極少外圍組件和超低壓差的1A~5A ULDO線性穩(wěn)壓器,并且為達到產(chǎn)品輕巧和對省電的要求,根據(jù)Intel ATOM或VIA NANO平臺上配置的UMPC/MID電源所需提供的各種低電壓轉(zhuǎn)換要求來提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)方案。例如,1.5V轉(zhuǎn)1.2V穩(wěn)定供給802.11/藍牙無線模塊所需的1A~5A電源管理方案,可將外部組件減到最少并且紋波噪聲比傳統(tǒng)開關(guān)式穩(wěn)壓器更低。

    面向處理器功耗優(yōu)化的電源管理

    UMPC/MID設(shè)備中常用的微處理器具有多個低電壓軌,在接通和停機期間必須對這些電壓軌進行正確的上電操作。這些低電壓軌通常包括CPU內(nèi)核電壓、I/O和一些存儲器。此外,CPU內(nèi)核電壓還會視所需處理電平的不同而改變,因而要求電源對其電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié),以達到優(yōu)化功耗的目的。

    凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降壓型穩(wěn)壓器,能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續(xù)輸出。每個通道均可通過板上I2C接口(兩個通道通過I2C,另兩個通道則通過RUN引腳)進行獨立控制(包括輸出電壓),從而使其非常適合于那些要求對輸出電壓實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整的應(yīng)用(如微處理器)。

    LTC3562采用一種恒定頻率和電流模式架構(gòu),工作輸入電壓范圍為2.85V至5.5V,因而使其成為單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池或多節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫電池應(yīng)用的理想選擇。LTC3562有兩個通道(600mA和400mA),可通過將反饋電壓設(shè)置在425mV至800mV之間(利用I2C接口)來調(diào)節(jié)輸出電壓。另兩個通道則提供了固定輸出電壓,可利用I2C接口將輸出電壓設(shè)置在600mV至3.775V之間(以25mV為梯級)。這種輸出電壓獨立控制水平使得該器件非常適合于管理便攜應(yīng)用中所常見的多個電源軌。

    德州儀器(TI)的張洪為對此亦有認同,“為盡可能地減少能耗,可采用多個電壓軌。我們使用該技術(shù)將電池的工作時間幾乎延長了一倍。今后人們還將不斷降低電壓,但就電壓降低而言,系統(tǒng)的不同部件具有不同的問題和步驟,因此將會出現(xiàn)更多的電壓軌。”他認為,一種較簡單的解決方案就是采用低壓輸入 LDO。利用這種技術(shù)的支持,就可以從鄰近的電壓軌得到多個電壓軌并保持最高效率。例如,可以從1.8V的電壓軌獲得1.6V PLL電壓,并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的許多PMU均采用低輸入LDO,如TPS65051。

    雖然處理器要執(zhí)行從音視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽到游戲等大量任務(wù),但它仍然需要在一段較長時間內(nèi)保持待機狀態(tài)。因此,美信公司的Mehdy Khotan指出,處理器的功耗可能在幾微安到數(shù)安培之間變化,給處理器供電的電壓調(diào)節(jié)器需要在所有負載條件下都提供高效率。此外,電壓調(diào)節(jié)器還應(yīng)提供動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、極高的電壓精度以及負載瞬態(tài)響應(yīng),以滿足處理器的要求。例如,Micrel公司采用HyperLight Load專利技術(shù)的MIC23031調(diào)節(jié)器可以在各種負載條件下提供很高的效率。

    安森美半導(dǎo)體(On Semiconductor)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部市場營銷經(jīng)理David Chu則補充道,對于MID及UMPC專用的英特爾Atom處理器而言,用于Atom處理器的電源管理解決方案需要滿足英特爾的IMVP6+規(guī)范。此外,為達到延長電池使用時間和減小電路板面積的目標,高轉(zhuǎn)換效率和小尺寸也是非常重要的因素。

    ADP3211A是安森美半導(dǎo)體針對英特爾Atom處理器的專用解決方案,完全兼容于英特爾的IMVP6+規(guī)范。該解決方案采用安森美半導(dǎo)體專有的斜坡脈沖調(diào)制(ramp-pulse-modulated, RPM)控制技術(shù),可最大限度提升整個負載范圍內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換效率,同時將輸出解耦電容減至最小。NT_MD4820N是安森美半導(dǎo)體的雙N溝道MOSFET,它將MOSFET的占位面積減小了多達50%。利用這兩款器件,即可提供完美的解決方案為MID/UMPC產(chǎn)品中的處理器供電。

    DDR2/3存儲器電源設(shè)計的難點

    由于運行DDR的速度非??欤暮蛢?yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng)成為電源設(shè)計的難點所在,而高效、易用的DC/DC解決方案是最佳選擇之一。飛兆半導(dǎo)體的FAN5236是一款雙輸出DDR PWM/PFM控制器,為兩種在0.9V到5.5V范圍可調(diào)的輸出電壓提供高效調(diào)節(jié),而這是為高性能筆記本電腦、PDA和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的I/O、芯片集和內(nèi)存供電所必需的。輕負載下的同步整流和滯后運作有助于在寬泛的負載范圍提高效率。如果需要在所有負載水平下使用PWM模式,可在每個PWM轉(zhuǎn)換器上分別取禁用滯后運作模式。

    “為DDR2/DDR3供電是一個非常復(fù)雜的問題,尤其是在高數(shù)據(jù)速率的情況下。”TI的張洪為表示,此外,由于存在多種工作模型并且需要在各個模型之間順暢地轉(zhuǎn)換,因此通常會有一個專用DDR 內(nèi)存電源芯片來供電。該公司的TPS51116就是業(yè)界最常用的DDR電源解決方案之一。不過,在美信公司的Mehdy Khotan看來,“DDR2/DDR3存儲器供電真的沒有特別的挑戰(zhàn)。”

    在單節(jié)鋰離子電池供電型UMPC中,主存儲器將由一個小型硬盤驅(qū)動器(HDD)來提供。這些小型HDD通常需要一個3.3V的恒定電壓(在300mA標稱電流條件下,峰值電流為500mA)。新一代鋰離子電池的輸出電壓變化范圍從4.2V到低至2.5V。因此,為優(yōu)化至HDD的功率輸送,最佳的解決方案是采用一個集成降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。凌力爾特針對這一需求推出了LTC3532降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這是一款高效率、固定頻率、降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,能夠利用單個電感器對一個高于、低于或等于輸入電源電壓的輸出電壓進行調(diào)節(jié)。

    英飛凌科技(Infineon)基于Primarion技術(shù)的動態(tài)相位調(diào)節(jié)功能亦可輕松滿足高效與節(jié)能要求。Primarion控制器可在規(guī)定電流水平下完成動態(tài)相位調(diào)節(jié),提高輕載或空閑模式下的效率。實現(xiàn)這種功能時,客戶不必花費額外的費用或資源??刂破骺稍谙辔辉鰷p之間輕松切換,以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。另一方面,Primarion控制器可根據(jù)實際DDR DIMM(雙列直插內(nèi)存模塊)的數(shù)量,調(diào)節(jié)控制相位。這種功能也可改善系統(tǒng)效率,防止在所插入的DIMM較少時出現(xiàn)功率浪費的情況。

    有源OLED顯示屏的推薦電源解決方案

    目前,有源矩陣OLED(AMOLED)技術(shù)正在顯示屏領(lǐng)域興起。它既結(jié)合了PMOLED技術(shù)的優(yōu)勢,又輕松地克服了PMOLED技術(shù)的局限。但是,AMOLED顯示屏為工程師帶來新的挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體的Jacques Lavernhe推薦使用由升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器組成的雙路DC/DC解決方案,這是因為AMOLED驅(qū)動器需要鋰離子電池提供正電源和負電源。要防止顯示屏上出現(xiàn)任何色彩偏移或閃爍,DC/DC轉(zhuǎn)換器必須結(jié)合不同的特性,如高精度和極佳的動態(tài)參數(shù)。此外,便攜應(yīng)用的一些關(guān)鍵特性,如電池工作時間、元件數(shù)量和解決方案的極小尺寸等也須考慮。

    美信公司的Mehdy Khotan還補充道,MID/UPMC顯示器的尺寸在3.5至7寸之間變化,美信公司可為MID/UPMC應(yīng)用提供分立器件和PMIC顯示器背光驅(qū)動器,這些器件可以支持1至4串LED(8個LED)來滿足以上要求。該公司還擁有能夠提供OLED應(yīng)用所要求的正/負電壓軌的獨立器件。如果OLED在MID應(yīng)用中廣泛采用,那么這些器件可作為IP塊集成在PMIC中。

    為TFT-LCD顯示器供電是也極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)級難題之一。TI的張洪為強調(diào),因為這不但要考慮效率、EMI,而且還要顧及波形、上電順序等問題。任何不匹配都將會導(dǎo)致圖像缺陷,而無法被最終用戶所接受。例如,一旦LCD偏置與音頻放大器共享 5V 的電壓,則可能會出現(xiàn)水紋問題。TI推出的TPS65150就是一款可提供LED背光和LCD偏置的芯片解決方案,其內(nèi)置的緩沖器放大器可以成功地消除水紋問題。

    對于TFT-LCD顯示器,凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場主管Tony Armstrong的觀點是,為實現(xiàn)TFT-LCD屏幕的正確供電,一個DC/DC轉(zhuǎn)換器必需能夠提供3個獨立的輸出電壓(即:AVDD、VON和VOFF)以及正確的上電和斷電排序。凌力爾特最新推出的LT3513轉(zhuǎn)換器具有5個獨立控制的穩(wěn)壓器,用于提供TFT-LCD屏幕內(nèi)部所必需的全部電源軌。其降壓型穩(wěn)壓器能夠輸送高達1.2A的連續(xù)輸出電流(用于邏輯電源軌)??梢岳肔DO控制器和一個外部NPN MOSFET產(chǎn)生一個較低電壓輔助邏輯電源。一個高功率升壓型轉(zhuǎn)換器、一個較低功率升壓型轉(zhuǎn)換器和一個負輸出轉(zhuǎn)換器提供了3個獨立的輸出電壓。一個集成高壓側(cè)PNP提供了VON信號的延遲接通,而顯示屏保護電路則負責在4個輸出中的任何一個低于其編程輸出電壓達 10% 以上時停用VON,從而起到保護TFT-LCD屏幕的作用。

 

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