笔记本电脑电源配置分析

    1 前言

    笔记本电脑系统架构如图1所示，其架构包括：主电源，I/O电源，DDR电源，图形电源，电池充电器，电源开关，电量监测计，显示屏电源，适配器电源，系统监控和保护，音频功率放大器，接口等。

 
图1 笔记本电脑系统架构

    对于系统集成商和设计人员或使用者来说，了解熟悉上述笔记本电脑解决方案至关重要，因为这大大有利于提升笔记本电脑性能价格比与产品质量及系统的维护。为此，本文将对笔记本电脑解决方案中各个部分的选用电源特性作分折说明。

    2 主电源选用

    主电源采用5个输出的电源芯片，以TPS51120为例作分析说明。

    TPS51120是用于笔记本电脑的5个输出全面的主电源解决方案。2个输出是高效DC/DC控制器，用于提供5V和3.3V主开关电源轨。这些转换开关具有伪固定频率和自适应接通时间控制。TPS51120提供了两种控制方案：D-CAP模式和电流模式。D-CAP模式最简单，可提供最快的瞬态响应，不需要任何环路补偿。电流模式需要简单的环路补偿，支持陶瓷输出电容器设计。另外，TPS51120有两个LDO输出，分别设置为5V和3.3V，能够支持100mA负载。这些LDO在启动期间使用，并在5V和3.3V转换开关加电之后提供稳定的切换。第5个输出是一个可支持50μA的2V基准电压，通常用作笔记本电脑中的准确基准电压。为了确保优化易用性，TPS51120为每个转换开关都配备了独立的电源状态良好指示信号并为每个转换开关和LDO配备了独立的使能信号。这整个解决方案装在一个小小的5mm×5mm×5mm QFN32封装中。

 
图2 TPS51120应用方框示意图

    ⑴主要特性

    集成5个输出，可选D-CAP模式或电流模式，可选温度补偿RDS(on)／电阻OCP，固定PWM或自动跳过模式工作，固定值软启动或可从外面调节，完全集成软关闭，独立的转换开关和LDO使能端,独立的电源状态良好指示信号，集成升压二极管，4.5V至28V输入电压范围，封装5mm×5mm QFN32。

    ⑵5个输出全面的电源芯片的优点

    全面的主电源解决方案，支持100ns以下瞬态响应和陶瓷输出电容器，灵活的OCP，最适合无损或准确检测，最适合比较高的轻负载效率，最适合电源定序并且易于使用，可独立监控每个开关轨，支持5V、12V和19V输入，封装适合小解决方案尺寸。

    3 用于系统I／0的优化电源的二种方案选用

    3.1 以TPS51124芯片为例作分析说明

    TPS51124是适用于笔记本电脑的双路DC/DC控制器。2个输出是高效可调节DC/DC控制器，用于提供I/O电源轨。这些转换开关具有伪固定频率和自适应准时控制。已在尺寸和易于使用方面对TPS51124进行了优化，从而提供了使用非常方便的解决方案，没有添加额外的外部组件的负担。这种优化通过D-CAP模式实现：该模式是最简单的控制模式，它支持最怏的瞬态响应并且不需要任何环路补偿。另外，每个转换开关的软启动时间都是集成的，通过集成软启动时间、支持低侧RDS(on)仅检测电流(OCP)、集成转换开关升压二极管和一直具有跳过模式选项以使效率最高的部件来取得优化效果。TPS51124也为每个转换开关配备了独立的电源状态良好指示和使能端引脚。这个经过优化的解决方案装在一个4mm×4mm QFN-24封装中。

    ⑴主要特性

    优化双路输出，固定D-CAP模式，伪固定频率和自适应准时控制，低侧RDS(on)无损电流检测，固定内部软启动时间和跳过模式工作，完全集成软关闭，集成升压二极管和独立的电源状态良好指示信号，3V至28V输入电压范围，封装：4mm×4mm QFN-24。

    ⑵优点

    外部组件很少，能支持100ns以下瞬态响应，己进行了优化以取得最佳性能并且解决方案尺寸很小，无损OCP省去了外部电阻，最适合比较高的轻负载效率，最适合电源定序，输入电压范围非常宽,可支持3.3V、5V、12V和19V输入，封装适合小解决方案尺寸。

    3.2 专为台式机、桌面笔记本、图形卡和机顶盒优选的简单、廉价型DC-DC控制器[!--empirenews.page--]

    MAX8545和MAX8546具有2.7V至28V输入，无损ISENSE，折返式限流，其电压模式、300kHz PWM降压DC-DC控制器具有强劲的2.5gl(典型)栅极驱动器，适合于1A至15A应用。无损检流和折返式过流保护(降低功耗达80％)提供了一个高可靠、低成本的方案。它们具有极宽的输入电压范围，省掉了额外的偏置电源。是3.3V/12V PCI-EXPRESS设计，可工作于墙上适配器。

图3  MAX8545引脚与应用示意图

    4 DDR电源选择

    4.1 VDDQ、VTT和VREF的全面电源解决方案配置

    TPS51116是一套完整的DDR电源解决方案芯片。转换开关用于为VDDQ电源轨提供高效输出，并且具有伪固定频率和自适应准时控制。TPS51116提供了两种控制模式：D-CAP模式和电流模式。D-CAP模式最简单，可提供最快的瞬态响应，不需要任何环路补偿。电流模式需要简单的环路补偿并支持陶瓷输出电容器设计。TPS51116集成了高性能LDO，该LDO为VTT轨提供电源。可以更改LDO的输入以优化总功耗，并且它能够驱动或吸入3A电流。另外集成了用于VREF的缓冲基准电源轨。此输出能够支持10mA的满负载。TPS51116集成了全面的S3和S4/S5状态控制。轻松地将这些引脚连接至S3和S4/S5信号就可以在S3中支持high-Z并在S4和S5中支持软启动关闭。这整个解决方案采用4mm×4mm QFN-24封装或HTSSOP-20封装。

图4  TPS51116典型应用方框图

    ⑴主要特性为集成VDDQ、VTT和VREF轨，可选D-CAP模式与可选电流模式，伪固定频率和自适应准时控制，可选温度补偿RDS(on)／电阻OCP，固定PWM或自动跳过模式工作，集成S3和S4/S5状态，电源状态良好指示信号，集成升压二极管，封装：4mm×4mm QFN-24或HTSSOP-20。

    ⑵优点：全面的DDR电源解决方案，支持100ns以下瞬态响应，支持陶瓷输出电容器设计，已进行了优化以取得最佳性能并且解决方案尺寸很小，灵活的OCP，最适合无损或准确检测，固定软启动值省去了输出电容，在S3中支持High-Z，在S4/S5中支持软件启动关闭，VDDQ输出的电源状态良好指示监视器，封装适合小解决方案尺寸。

    4.2完整的DDR方案以更低的成本提供VDDQ、VTT和VREF并省去大尺寸电容

    DDR方案100ns瞬态响应降低了电容器的尺寸和成本。以MAX8550A作说明。MAX8550A降低了VDDQ和VTT电源中输出电容的尺寸和成本，使其成为更低成本的DDR存储器电源方案。MAX8550A还具有最高至28V的宽输入电压范围。VDDQ电源是一个±12A的DC-DC控制器，采用Quick PWM快响应架构，能够在100ns内响应负载瞬变，降低了输出电容要求。VTT电源是一个内置的高带宽LDO，具有±1.5A的吸收—源出能力(峰值±3A)，只需40μF的输出电容。保护功能包括欠压(UVP)、过压(OVP)、过流和数字软启动。VTT参考LDO可输出最高20mA。所有使能控制相互独立。

    完整的DDR电源为一路宽输入(2V-28V)，三路输出(VDDQ-0.7V至5.5V，±12A；VTT-1.25V，±1.5A典型值±3A峰值，VTTR-1.25V，20mA)。图5为MAX8550A引脚功能与应用示意图。

图5 MAX8550A引脚功能与应用示意图

    5 图形电源的特性

    GFK内核的电源解决方案，以TPS51117为例作分析说明。

    TPS51117是在笔记本电脑中提供电源的单个DC/DC控制器。开关输出是高效、可调节DC/0C控制器，最适合为图形内核提供电源。此转换开关具有伪固定频率和自适应准时控制。最简单的控制模式D-CAP模式，支持图形内核所需的最快瞬态响应并且不需要任何环路补偿。另外，TPS51117提供了PWM和跳过模式，并且支持无损OCP检测。TPS51117在3.5mm×4.5mm QFN-14或TSSOP-14封装中提供。图6为TPS51117应用示意框图。[!--empirenews.page--]

 
图6 TPS51117应用示意框图

    与TPS51116相比有共同之处，也有不同点。其不同特性为：固定内部软启动时间；1．8V至28V输入电压范围；封装：3.5mm×4.5mm QFN-14或TSSOP-14。

    同样其优点也有不同：输入电压范围非常宽，支持2.5V、3．3V、5V、12V和19V输入。

    6 新型笔记本电池充电器特征，最高开关频率的笔记本电池充电器MAXl7005应用

    MAXl7005是低成本的可编程电池充电器，器件采用1.2MHz开关频率，可减小电感和电容的尺寸。此外，MAXl7005还采用N沟道适配器开关，可自动选择采用适配器和电池供电和PWM／模拟可调充电电流以及超小尺寸、高效的电感和电容，降低了BOM成本。图7为MAXl7005电池充电器应用示意图。图中兰色阴影线为功率回路。

    主要特征：1.2MHz开关频率；受控的电感电流纹波架构，降低了BOM成本；充电电压精度为±0.5％；输入限流精度为±2.5％；充电电流精度为±3％；输入限流监视输出精度为±3％；模拟／PWM(128Hz至1MHz)可调的充电电流设置；可调的1至4节电池电压；逐周期限流模式控制，可保护电池免受短路和系统负载瞬态的影响，快速响应，用于脉冲充电；可编程充电电流(小于6A)；8V至26V输入电压范围。

 
图7 MAXl7005电池充电器应用示意图

    7  电源开关特点

    7.1 16位至8位SPDT千兆LAN开关TS3L500

    TS3L500是具有单选(Sel)输入的16位至8位多路复用器／多路解复用器LAN开关， 它控制多路复用制多路解复用器的数据路径。提供了额外的I／口供切换状态指示LED信号之用。TS3L500提供了低而平坦的导通电阻Ron和极佳的导通电阻匹配。低输入/输出电容、高带宽、低偏移和通道之间的低串扰使得此器件适合各种LAN应用，如10/100/1000Base-T。TS3L500可以用来替代LAN应用中的机械继电器。它也可以用来将来自10/100Base-T的以太网收发器的信号路由至膝上型电脑或集线站中的RJ-45LAN连接器。

    其优点为：支持10/100/1000Base-T信令；替代LAN应用中的继电器；低I/O电容使得最大程度地降低负载和信号失真；加入3个额外的通道用于LED切换。

    7.2 功耗最低的千兆以太网LAN开关，具有引5kVESD保护。整合于节省空间的5mm×5mm、32引脚TQFN封装。是理想用于笔记本圬站、1T3／E3冗余开关和LVOS切换。

    主要功能：内置LED开关，用于切换与圬站相连的指示灯；超低静态电流，延长电池寿命；优化的引脚排布使变压器和PHY的接口更轻松；土15kVESD保护(MAX4890E/MAX4892E)；双向8路至16路复用器/解复用器;提供1GHz带宽。图8为7MAX4890E应用示意图。

 
图8 7MAX4890E应用示意图

    8  电量监测

    ⑴尺寸最小、效率最高并且灵活的笔记本电量计解决方案

    MA1785结合先进的软件工具套件以及可编程微控制器，可为笔记本计算机提供灵活的电量计开发平台。MAⅪ785内置的Li+保护电路，具有超低的静态功耗、精确的电量计以及防篡改硬件，方便设计人员为笔记本应用构建高效安全的电池包控制方案。[!--empirenews.page--]

    ⑵MA1785芯片主要特征

    最大的灵活性，即可编程8位μC、32kB闪存、6路GPIO、7个高压端口；内置保护电路，即过压及过流保护、可编程门限；最精确的电量计，即不校准条件下具有1μV失调、小于1％的增益误差、138μAh的分辨率。

    ⑶该方案功能

    采用小尺寸6.5mm×9.8mm TSSOP封装的单芯片解决方案；可提供C编译器以及在系统调试器；有主/从SMBUS接口；低功耗，具有最长的工作时间；是一千安全解决方案，即硬件随机数发生器，提供DES3或SHA-1。

    9  独特的显示屏电源

    9.1电视和显示器TFTLCD显示屏的偏置电源TPS65160A

    TPS65160A提供了非常紧凑的电源解决方案，以提供薄膜晶体管(TFT)LCD平板所需的全部四种电压。借助于其高电流容量，该器件是大屏幕显示器平板和LCD电视应用的理想器件。该器件可从12V输入电压直接供电来生成偏置电压、V_GH和V_GL源电压V_s：以及用于LCD平板的逻辑电压V_logic。图9为TPS65160A应用示意图。

 
图9  TPS65160A应用示意图

    ⑴主要特性

    8V至14V输入电压范围；Vs输出电压范围高达20V；具有1％容限的2.8A升压转换器开关；具有1.5％容限的1.8A步降转换器；500/750kHz固定切换频率；用于VGL输出的负压充电泵驱动器；用于VGH输出的正充电泵驱动器；用于VGL和VGH输出的可调整定序；驱动外部MOSFET的栅极驱动信号；内部和可调节软启动；封装为HTSSOP-28。

    ⑵优点：完全集成的TFTLCD偏置电源，集成且可调整定序,有最大保护功能以及短路和过压保护与热关断。

    9.2 独特的4通道CCFL控制器，以单片IC实现背光扫描

    DS3994改善LCD视频质量，无需增加逆变器成本。单片DS3994产生4种独立的突发波形(见图10所示)。每通道具有可编程交错突发启动，可针对特定应用进行定制。

 
图10  单片DS3994产生4种独立的突发波形

    其主要性能：

    ⑴高集成度方案：4通道CCFL控制器，适用于LCD TV和PC监视器的多灯管背光；每通道驱动多达八个灯管；单片控制器IC实现背光扫描功能——每相无需单独IC；元件数最少的BOM。
    ⑵精密振荡器实现最优画质：为灯管(20kHz至80kHz)和调光(22.5Hz至440Hz)频率提供独立的片上振荡器(精度达±2％)；灯管和／或调光频率可同步至外部时钟，以减少显示失真。
    ⑶应用灵活性：每通道可交错编程突发模式；启辉频率提升选项；可编程启辉时间；2线串口和片上非易失存储器，以定制器件功能。
    ⑷提高可靠性和安全性：每通道灯管故障监视功能，检测开路、短路、启辉失败和过压故障；具有较低DC偏移的高逼真度正弦信号逆变器输出，最大程度提高效率和延长灯管寿命。

    10 风扇控制器和温度监控器

    10.1 7通道温度传感器监测一路本地温度和六路远端温度

    理想用干采用45nm CPU的笔记本PC，如MAX6693可提供六路远端检测并可测量其自身温度。MAX6693通过其远端通道测量内置“二极管”温度传感器的大功率IC的温度，也可以采用分立晶体管监测多点温度。第l通道包含beta补偿，可精确测量小尺寸CPU的温度。是单一芯片能够测量一路本地温度和六路远端温度.。其应用示意图见图11所示。

    其主要功能：六路远端检测，一路本地温度检测，一路远端通道优化用于低beta值、45nm晶体管检测，±1℃远端温度精度(+60℃至100℃)， 输出用于中断、限流和关断，还提供4路远端检测产品(MAX6694*)，小尺寸、5mm×5mm、28引脚TQFN封装。

 
图11  MAX6693应用示意图

    10.2 MAMC6821是一个具有本地(片上)和远程温度监测功能的风扇控制器

    MAMC6821具有使风扇速度最佳的内部线性控制环路。该器件具有三种工作模式。在自动温度风扇速度模式中，当温度变化时，风扇速度自动调整为最佳值。在软件RPM模式中，风扇速度保持软件定义的目标值。这两种模式都是闭环模式。在软件DCY模式中，将PWM驱动器的占空比设置为用户写入器件的值。

    在任何闭环模式中，MAMC6821都可单独运行，这可降低系统控制器功耗并减少总线活动。由于它的工作电压低至2.7V，所以最适用于笔记本电脑设计。

    ⑴主要特性：远程和本地温度测量，远程±1℃准确度，本地±2℃准确度，本地和远程都是0.125℃分辨率；风扇速度监控器，PWM范围100至23000；6％准确度；PWM风扇控制输出，0％至100％占空比(8位)，10Hz至40kHz输出频率；控制模式，自动温度风扇速度控制模式与软件RPM控制模式及软件DCY控制模式；SMBus／双线接口,2.7V至5.5V工作电压；封装SSOP-16。

    ⑵优点：降低听得到的风扇噪音，降低功耗与独立模式减少CPU处理和总线活动。

    11 音频功率放大器

    先迸的三通道(左与右声道及亚低音输出)、有源分频D类扬声器放大器。具有如下先迸性：扩谱技术降低EMI，增强型咔嗒•噼噗声抑制电路，与0.02％THD+N，90％效率，71dBPSRR；DirecDrive耳机放大器,无须隔直电容和低音性能最佳；有四种可选分频，简化了设计实现,即高通函数具有二次斜率、低通函数具有二次斜率、分频点可选(0.8kHz、1.1kHz、1.6kHz及2.1kHz)；内部有源分频电路简化了设计，并节省了外部元件，降低了成本。此三通道、有源分频D类扬声器放大器以MAX9706/9707为典型。

    该MAX9706/9707属先迸的D类放大器。通过扩谱技术和主动辐射限制实现超低EMI，效率高达90％，THD+N、PSRR和简单程度可媲美AB类放大器。它是理想用于笔记本PC和便携式DVD，具有亚低音输出。有源分频提供立体声高通输出和单声道低通输出。