消费性掌上型产品之电源管理需求

消费性产品，特别是掌上型装置近来就和许多其它装置一样，在复杂度上有大幅度的提高，像是关闭单槽式电池便需大量的电压等级，或是当电池充电时需要壁充型充电器。在这些装备上的电源供应必须将单一电压等级转换成提供不同电压供处理器、DSP、ASIC、SDRAM、随身碟和具备LED背光的LCD使用。除此之外，对于不同电压的处理器、DSP和FPGA等装备电压等级必须低到1.2V并接近0.9V，让系统的容错度更严谨而且需要一种更精确的方式来保持这些电压等级在规格之内。在其它特别严苛的情况下，堆栈式白色LED背光便需要高达30V并具备精确的电流控制来依序提供10个白色LED电源。对于更复杂的案例，所有这些装置同时间由于可靠度和节约电池寿命等原因，都必须在不同时间开启或关闭。如果无法符合上述需求则性能会马上降低，像是总线冲突、电池寿命缩短或是装置被占用等不良状况都会提高。

在移动式设计和解决方案上的设计挑战可强化电池寿命，但也必须追得上系统改变和性能强化等条件。为了符合这些挑战，目前趋势是朝向可

 程序的多样化输出DC-DC电源管理装置，并具备数字元元式控制来容许简单的输出电压等级之软件量身订制，和电源排序需求。由于系统供应需要快速改变，一种新的“平台解决方案”可改变来符合任何型式的系统电源供应需求以减轻设计者的工作。这可藉由指定一个电源区块来达成，而这个区块必须在不同应用领域上标准化并可数字式设定到不同需求上。

多种不同电压之DSP、FPGA、LED背光及LCD显示等组件的大量增加，和其它在掌上型应用装置上所建立出的需求，将提供一种数字式可程序化电源管理控制功能，以符合急迫的大量电源供应需求，并提供装置在移动装备上使用，如(图一)所示。

《图一　典型掌上型装置电源管理系统》

 ＜图注:典型掌上型电源管理系统由于电源管理是可完全设定的，若系统区块改变，管理者也随之改变。图中共有八个电压输出，其中包含三个同步PWM〝buck〞降压转换器、一个可设定的PWM〝boost或buck〞转换器、三个可设置的PWM〝boost〞升压或反转转换器、一个Low Dropout（LDO）线性整流器，和一个可完全程序化的锂离子电池充电器。＞

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在没有标准下如何标准化一个系统

当使用一些较为复杂的掌上型系统，像是随身媒体播放器、数字摄影机/静态相机、智能型PDA/相机或手机，掌上型GPS/PDA等都使用TFT LCD和目前一些OLED屏幕，同时也增加了电源供应的复杂性并具备大量不同的电压需求，有时候甚至多达12种不同的需求。也由于供需的数量增加，供应次序变成非常重要，因为累积的输入电流要求特别集中在开启或关闭所有供应电源时，此外再加上电源消耗及相关的温度上升都造成在较低电压时紧缩的电源供应精确性降低，这些都是让维护可靠度难以改善而增加困难度的最主要原因。上文所谈到的都被要求应以较短研发时间、较便宜的产品和改善可靠度，以提供新的解决方案来处理新平台设计上的议题。因此，让系统电源管理标准化的优点就是电源链接合监控功能在跨越平台上都会是相同的。

《图二　电源管理方块图显示在像是PDA、智能型手机或DSC等不同掌上型装置上可能的不同电源供应和组态。》

 为协助标准化，一个数字式可程序化供应平台必须具有一个模拟控制器/转换器，来提供较固定解决方案更好的优点以及纯数字元元PWM控制。其中一个优点就是可程序化解决方案大幅降低有关改变系统需求的风险，藉由可程序化解决方案排序次序可加以修改，同时排序信道也可藉由简化程序化控制器来以追踪信道取代。这可尽量降低由于系统需求不能明确了解下所造成电路板需要更换的可能。这种可程序化解决方案也赋予设计者更高的信心能让电路板一次设计便成功。若遭遇到问题，重新程序设计可加以解决这些问题，并针对电路板所具备的功能进行除错和测试。在整个公司范围的基础下，程序设计解决方案也容许超越平台的应用，也就是现有的设计在简单重新程序设计后可重新作为单独的解决方案，模拟式PWM转换器和LDO可让一个较小、简单以及便宜的装置使用，而在芯片上具有完整的DSP。[!--empirenews.page--]

《图三　详细架构显示LED驱动器，高达10个LED可以序列方式连接；并透过I2C总线进行程序化亮度控制。》

模拟式处理也让MOSFETS电源整合到适当之处，同时PWM可在不同程序化频率下操作以减少外接组件尺寸。如果依据如此进行设计，则DSP需要非常高的时脉和相关的高分辨率AD转换器来提高精确度，而数字元元化方式也要承受有关量化错误的问题，一个完全程序化的电源供应装置具有整合式非易变性（NV）负载平衡模拟式PWM控制器来提供在任何电源系统上的电源管理需求。这项程序化能力可容许高性能模拟信号在处理和温度上具有0.5％精确度，并且在基本的较低成本组件上使用一具有非易变性模拟负载平衡的标准数字CMOS处理。透过NV程序化/再程序化的弹性和可设定的硬件功能，以及使用一数字元式接口而具备可程序化模拟参数到系统和GUI研发工具上，都使得标准化很容易达成，由于这是一种模拟功能，高度整合了电源的供应并使用可程序化电源控制来调节。

 完整的弹性，一系列的装置均具有完整程序化电源供应并具备整合式PWM控制器的特色，用来监控、差异化和递减排序以提供在掌上型电源系统中所有需要的电源管理需求，这一系列的装置可设定在五个或更多信道上，而电池充电器的功能可符合大多数的需求。一个可能选项范例如(图二)所示。系统可设定为具有5个电压输出再加上参考值，包括：可设定的同步PWM“buck”降压转换器，PWM“boost”升压转换器，PWM“buck-boost”负向DC-DC转换器，和LDO呈现出±0.5％的整体精确度，并具备弹性来设计任何系统组态。一个IC双线系列总线可用以程序化电压程度和监控状态。

《图四　图形化使用者接口》

＜图注:非可变性程序化功能非常容易进入到图形化使用者接口（GUI）来协助输出电压和电流在系统内的修改。所有电压等级和故障激发都可使用窗口GUI来程序化，和一个兼容于PC的并行端口到I2C或USB序列总线程序设计，临界的高和低值均可事先程序化而且一个简单的I2C指令会提出并降低LED亮度。＞[!--empirenews.page--]

 
电源系统可用以开启/关闭递减式顺序，而其中每一信道可指定到这四个顺序位置其中之一。供应电源也可透过I2C指令分别开启/关闭，或是藉由一个激活插槽的插入来达到相同功能。递减顺序，和以时间为基础排序不同，使用回馈来确定在下个信道启用前的每个输出是有效的。

 每一输出电压和电池会监控是否有低电压和高电压情形。当有故障发生时，所有电源供应可能依序关闭或立即停用多重输出状态插销，以用来作为通知主机处理器或其它系统错误的监控电路使用，一个低电压锁定（UVLO）电路可确保IC在电池电压未达到安全操作电压前不同激活，UVLO的功能会展示滞后现象，以确保在电源供应架上的噪音不会不慎导致系统故障。
 

当类似低电压或高电压状况发生于监控输出或在系统电源供应出现低电压的错误时，所有监控的电源供应可能会激发出像是一排序电源关闭的操作之内部错误反应，或是一种立即的强迫关闭。

每个电源供应输出也会透过一个I2C指令在任何点个别将电源来自主系统电池，电池电压会持续监控以维持在低电压状态。当达到一程序化威胁程度时，POWER-FAIL插销（SMB112）会插入并闩上。

《图五　电源激活串联排序和SMB 110的临界高/低波形》

＜图注:注：供应信道是以串联排序开启名义上的电压，再来是临界高或低值，然后串流排序关闭，信道1、2、3、4都是第1个临界高值，而然后信道2和3则是临界低值。最多可有4 PWM电源供应被控制。＞[!--empirenews.page--]

 动态电压控制

临界或动态电压控制建立三种预先程序化设定，让每一个信道可透过一个I2C指令来设定电压或电流改变，所有输出可临界超越每一信道所能够获得的相同可程序化范围。当使用一个设定为LED驱动器(图三)的信道时，临界值是种理想方式，其中提供三种不同亮度设定。由于零件的弹性，LED可依序列设定来提供亮度一致性或以平行设定来提供不同的亮度控制。在下列所示的范例中，可多到10个LED由增加效益信道所驱动。当设定为一个固定电流LED驱动器时，增压效益输出会自动伺服输出电压，所以流过LED链接的电流会与流经附加在COMP 1插销上电阻的电流一样，下述的LED电流能够驱动10个白色LED并具有最大电流，因受限于LED所以大约是30 mA。此外，每一输出的旋转率会受限于数字式软件激活电路，这是可由使用者程序化而不需要外接电容。所有可程序化设定会储存在非可辨识登陆器中而且很容易存取和修改。

 
动态电压控制在本质上也是电源关键性应用并具有非常动态的操作模式。在这个范例中高功率组件可由不同电压程度的电源供应并维持在特定状况下，因此可明显地大幅延长电池寿命。

《图六　可程序化的线性锂离子电池充电器》

＜图注:一个可程序化的线性锂离子电池充电器并提供多种在充电周期，由登录器中包含了所有有关电池充电运算法则的信息，这里有程序化选项，像是最后的浮动电压、充电电流、预先充电电流、快速充电电压、快速充电电流、浮动电压（0.5％）、终止充电电流、OT/UT临界值和充电定时器。＞

 
电池充电器

锂离子（Li-Ion）电池充电器需要三种充电模式以提供最佳性能和安全性。这些操作模式包括一个限制性电流预先充电模式以当电池非常严重放电时使用，一种快速充电高电流模式，和一种固定电压慢慢充电模式，如(图六)。当锂离子电池严重放电时，电池充电应以一种限制性电池充电电流开始充电。预先充电浮动电压超过之后，电池充电电流应由预先充电电流增加到快速充电电流。快速充电电流也应程序化，而最后的浮动电压则应能够符合新的且较高容量的锂离子电池并有较大的浮动电压。

一旦超过了最后的浮动电压，电池充电器应可选择进入一个固定电压模式，而其电池电压会保持固定，以让充电电流逐渐变小。固定电压充电模式应持续直到充电电流降到终止电流临界值之下。一可程序终止电流等级非常有用，因为它允许系统在频繁充电以供应较高电池容量或减低充电时间上做决定。
 
温度侦测输入也是必须的，以避免在充电期间过高的电池温度。温度监控电路应符合所有不同内电阻并取消电池充电直到电池电压降到安全操作范围内。
 

《图七　可程序化电池充电器选项》

结论

新的数字式程序化电源供应提供I2C程序化输出电压、开启和关闭排序、个别电源供应启用控制、电池监控和充电、在PWM输出UV和OV监控、临界LED背光程度、旋转率控制和程序化电源开启关闭排序等功能。主动的控制DC输出电压程度到低及高值线之下的0.5％内，以符合高性能组件严谨的除错性需求，并更进一步延伸操作的可靠性，临界电源供应测试系统性能目标以及提供一种更容易的方式来进行调整，像是亮度和容量。主动精确度控制的整合、程序化特色和预设的弹性都让系统设计者建立出一种“平台解决方案”，并且可以透过软件来方便修改而无须进行重大的硬件改变。另外结合再程序化能力，将协助加速设计周期而且由一基础设计扩散到未来新一代的产品线上。