新一代便攜式設(shè)備的關(guān)鍵電源電路設(shè)計考慮
作者：錢金榮
由于集成的功能不斷增多以及外形尺寸的日益縮小，最新一代功能豐富的更小型便攜式設(shè)備將使電源管理設(shè)計發(fā)揮關(guān)鍵作用。一般來說，便攜式設(shè)備主要包括微處理器、I/O外設(shè)、LED背光、閃存和/或硬盤驅(qū)動器(HDD)、數(shù)字和模擬電路，這些功能模塊對電源的要求各不相同。為使這些功能模塊正常工作并最小化功耗以實現(xiàn)更長的電池使用時間，系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨如何設(shè)計嵌入式電源管理解決方案以滿足電源要求的挑戰(zhàn)。本文對電源要求進行了分析，并重點闡述如何設(shè)計這些電源管理電路。
為微處理器供電
微處理器是處理各種數(shù)據(jù)和命令的核心器件，大多數(shù)微處理器都采用CMOS電路并具有開關(guān)功耗和靜態(tài)功耗。數(shù)字電路的每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換均對數(shù)字電路的輸出電容進行充放電，由此產(chǎn)生的功耗由下式表示：
其中，C為總負載電容，fS為開關(guān)頻率，VCORE為施加在微處理器上的電源電壓。根據(jù)此公式得知：時鐘頻率的降低將使功耗呈線性下降，電壓的降低可導(dǎo)致功耗呈二次方程式下降。隨著微處理器處理速度越來越快，施加在微處理器上的電壓將降低小于1V以最小化功耗。
微處理器最常見的供電電壓范圍為1.0~1.5V。從電壓要求來看，大多數(shù)微處理器都具有嚴格的電壓容差，在穩(wěn)定狀態(tài)和負載瞬態(tài)時的電壓容差不到100mV。由于微處理器對低工作電壓和大電流(具有大的邊沿斜率)的要求，電源管理設(shè)計工程師面臨既要滿足嚴格的電壓瞬態(tài)要求，又要解決系統(tǒng)功耗預(yù)算和電池運行時間(高轉(zhuǎn)換效率)的難題。微處理器的功耗通常為系統(tǒng)總功耗的30~40%左右。通常為便攜式設(shè)備供電的鋰離子電池，采用LiCo02陰極材料，其典型的電池工作電壓范圍介于3.0~4.2V。
圖1所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器拓撲能有效地將電池電壓轉(zhuǎn)換為低內(nèi)核電壓。通常，具有集成MOSFET的固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)DC/DC轉(zhuǎn)換器在正常負載條件下具有90%以上的轉(zhuǎn)換效率，但由于開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動損耗的影響，它們在輕負載條件下(如便攜式設(shè)備的待機模式)的效率較低。為使便攜式設(shè)備實現(xiàn)超長的電池待機時間，轉(zhuǎn)換器能在輕負載條件下提供高效率非常重要。
圖1：(a) 同步降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)圖；(b) 負載瞬態(tài)過程中的負載電流和電感電流。
首先是要設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器工作在非同步模式，這樣就避免了因盡量減少與回路電流有關(guān)的傳導(dǎo)損耗而導(dǎo)致的負電感電流。此外，脈寬頻率調(diào)制或脈沖跳躍(pulse skip)模式通常用于最小化柵極驅(qū)動和開關(guān)損耗。諸如TI開發(fā)的節(jié)電模式等專用技術(shù)通過關(guān)閉部分控制電路來降低開關(guān)損耗，并使PWM控制器的靜態(tài)電流最小。在150μA的負載條件下，可以實現(xiàn)低至18μA的靜態(tài)電流和超過70%的效率。
