便携式应用处理器设计中的电源管理

当今便携式应用处理器的电源管理解决方案的集成度越来越高。总功耗、待机和深度睡眠的电流消耗会影响电池的大小、物料单(BOM)的成本和产品的认知度。

当设计便携式设备—如智能电话或PDA—的时候，系统设计工程师必须考虑许多电源的变量。随着它们消耗的功率越来越大，智能电话要求高度集成的电源管理解决方案，以便在尽可能最小的PCB面积中实现电池寿命最长的设计目标。

当今的应用处理器需要为内核、I/O、存储器和外部设备等等提供不同的电源域。例如，LP3971就是一种设计用来满足所有这些要求的电源管理单元(PMU)，它利用了3个高效率的降压转换器和6个低压差(LDO)调整器。

应用处理器需要多种电源电压，这些电压可以通过核心电源管理和系统的架构进行优
化。LP3971具有由I2C控制的输出电压、工厂可配置的上电顺列和缺省的输出电压，可以满足范围广阔的系统要求。

本文重点讨论如何利用诸如LP3971之类的器件与降压型转换器及LDO功能相结合，为PDA/智能电话应用中的微处理器的低电压供电。

当设计一个系统的时候，必须对架构进行平衡，包括成本、PCB面积、元器件大小、通话时间、待机时间、电池容量和进度表等等的要求。微处理器RAM需要1.5V、最大电流为400mA的电源。让我们从最简单、成本最低的解决方案—直接连接到锂电池的LDO—开始(下图1)。

 
 
电池电压将从4.2V开始跌落到3.2V，在该电平系统进入深度睡眠，直到电池被充电或更换。图2所示为一个典型的锂电池放电周期。

对于如图1所示的配置，LDO 5的效率将是：

LDO百分比效率= [(Vout * Iout) / Vin * (Iout + Iq)] * 100

对于本文中这个和其它的例子，相对Iout(400mA)而言，Iq因为非常小被忽略了(40mA)。

效率方程式然后变为：

百分比效率=[(Vout)/(Vin)] * 100。

对于Vin = 4.2V 且 Vout = 1.5V, LDO的效率为1.5/4.2 = 36%。总功率Pt = 4.2 * 0.400 = 1.70W。

所有没有被传递到输出负载的功率将以热量的形式在LDO内部被耗散掉。耗散功率为：

耗散(Pd) = (Vin - Vout) * Iout = (4.2 - 1.5) * 0.400 = 1.1W, 耗散为热量。[!--empirenews.page--]

我们刚刚计算了最大连续功率(Pt)。RAM在这个功率电平工作的时间不会太长。如果我们考察10%的占空周期，则平均功耗将是： Pt = 0.10 * 1.7 = 0.17W RAM以Imax的电流工作的时间取决于应用、电源管理固件和操作系统。在图2中，电池电压稳定在4.2V的时间不长。在3.6V的标称电池电压，Vout仍然是1.5V；LDO的效率为42%。

如果系统要求较低的功耗，那么，如图1所示的配置是不能接受的，要考虑如图3所示的解决方案，在它上面的LDO 5的输入被连接到降压转换器的输出，该输出被设置为1.8V以给存储器供电。对于如图3所示的配置，如果LDO 5的输入被连接到1.8V的电源轨，那么，效率的计算方法如下： 效率=Vout/ Vin = (1.5V/1.8V) * 100 = 83%

耗散的功率估算如下： Pd = (Vin - Vout) * Iout = (1.8 - 1.5) * 0.400 = 0.12W, 该功率将以热量的形式消耗掉。

LDO 5的效率是83%。注意：如果我们要采用开关电源而不是LDO 5，该效率可能低至85%，对于该模块来说，仅仅改善了2%。然而，整个效率取决于所采用的转换器类型。

利用LP3671降压转换器数据表提供的效率曲线(图4)，因为如此，整个系统的双转换DC/DC+LDO的效率将为78%。LDO是最低成本、最小体积和最低噪声解决方案。

如果增加另外一个DC/DC转换器以给RAM供电，就要增加了非常大的外部电感器(3mm x 3mm，10 mm2)，从而增加电路板的面积及整个系统的噪声。如果没有1.8V电源，那就可以采用任何低于Vbatt的降压转换器电压轨。LDO的输入电压越低，效率就越高，只要输入电压高于Vout + Vdropout。

当采用LDO为低电压微处理器供电的时候，没有理由表示担心。要问问你自己：“为了把系统的效率提高仅仅百分之几，我真的需要采用一个额外的降压转换器和电感器吗？”

利用降压转换器给低电压轨供电将增加电源管理IC的体积，如果增加一个3mm x 3mm的电感器，就会增加BOM的成本和PCB的面积。相比之下，LDO的成本低廉、外形小且便于使用。它还是能够针对你的应用进行优化的噪声最低的解决方案。