數(shù)字處理器的功耗正比于電壓平方,因此中央處理器也能采用動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù);當中央處理器進入待命模式或其它功能精簡模式,它就能在較低的頻率頻率下工作,此時可將處理器電壓降低,以便減少功耗,提升工作效率,延長電池壽命。就以O(shè)MAP1510 為例,假設(shè)它的電源是由TPS62200 供應(yīng),并使用1 安培小時的3.6V 鋰離子電池輸入,其它特性包括： ●睡眠模式(TPS62200 采用PFM 調(diào)變)未用動態(tài)電壓調(diào)整：Vout = 1.5 V @ 300 µA ;效率= 93% ●正常工作模式(TPS62200 采用PWM 調(diào)變)：Vout = 1.5 V @ 100 mA ;效率 = 96%

假設(shè)此組件95%時間處于睡眠模式,5%時間處于正常工作模式,則從輸出功率與時間的關(guān)系圖可看出,將動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)用于睡眠模式,電池壽命會最多延長9 個小時。

離散解決方案

(圖四)是利用離散組件實作的電源管理系統(tǒng),電池電壓限制為3.3V。

圖四 利用離散組件實作的電源管理系統(tǒng)

在這個解決方案中,就算鋰離子電池下降至3.3V 左右,在100%負載周期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉(zhuǎn)換器仍能提供3.3V 的I/O電壓。上述所有零件都采用SOT-23 封裝,除了bq24020 電池充電組件、TPS61020 升壓轉(zhuǎn)換器以及TPS61042 白光二極管驅(qū)動組件之外,它們是采用3×3 平方厘米的QFN 封裝。TPS61040 和TPS61042 還內(nèi)建上端FET 晶體管,每顆組件只需要一個外接二極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 和線性穩(wěn)壓器組件全都內(nèi)建FET 晶體管,功率放大器和中央處理器電源采用的動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以提高每顆零件的效率,進而協(xié)助降低功耗。

整合解決方案

最新制程技術(shù)使得工程師更容易結(jié)合、迅速修改以及/或是利用現(xiàn)有的離散組件設(shè)計,以便提供不同整合程度的半導體芯片,例如通用的雙通道交換式轉(zhuǎn)換器和電源拒斥比很高而噪聲很低的雙信道線性穩(wěn)壓器、特殊應(yīng)用白光二極管的電源供應(yīng)以及行動電話、PDA 和數(shù)字相機的多電源管理解決方案,這些產(chǎn)品都已開始供應(yīng)。專門支持終端設(shè)備的電源組件則會內(nèi)建各種外圍,其范圍從行動電話的響鈴器和蜂鳴器到PDA 的通用I/O 接腳,例如圖四整合解決方案所使用的TPS65010 就是這類組件。

圖五 整合式解決方案

在此解決方案中,3.3V I/O 電源是由SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供,它讓應(yīng)用系統(tǒng)能充份利用鋰離子電池電力,直到電池電壓降至最低水平(大約2.7V)。和離散解決方案一樣,穩(wěn)壓器輸出也來自3.3V 輸入電源,以便提高工作效率。TPS65010 采用48 只接腳QFN 封裝,這些組件都內(nèi)建FET 晶體管。TPS61130 SEPIC 轉(zhuǎn)換器采用4×4 平方厘米QFN 封裝,并且內(nèi)建FET 晶體管,最高達到90%以上效率,TPS5100 則是三通道輸出控制器,專門用來提供電源給顯示器。功率放大器和中央處理器電源使用的動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以改善每顆零件的效率,進而協(xié)助降低功耗。

離散或整合?

如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇?一般說來,整合組件的成本會低于同樣等級的多顆離散零件;除此之外,如同(圖六)的電路板布局所示,相較于執(zhí)行同樣功能的多顆離散零件,TPS65010 以及與其搭配的被動零件只需較少的電路板空間,這主要是因為離散零件之間需要額外空間來容納訊號線路。由于TPS65010 還包含原來由離散零件提供的其它功能,例如電源供應(yīng)順序、振動器和二極管驅(qū)動組件,因此整合解決方案可以節(jié)省更多電路板面積。

圖六 TPS65010 與同等級離散解決方案的電路板布比較

整合組件過去主要支持特殊應(yīng)用,彈性也不是很高,因此在設(shè)計流程后期,它們就無法再進行重大的設(shè)計變更。然而新的制程技術(shù),包括支持可程序輸出電壓以及封裝后調(diào)整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡單快速的對現(xiàn)有組件(也就是不同固定輸出電壓的組件)重復進行簡單修改。另一方面,整合組件的供貨商通常只有一家,這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。

未來挑戰(zhàn)

消費者想要操作時間更長的智能型手機,新發(fā)展的半導體制程技術(shù)已能減少泄漏電流和阻抗(有時透過銅覆蓋層),使得FET 晶體管的靜態(tài)電流更低,導通阻抗也變得更小。然而不同于持續(xù)進步中的半導體技術(shù),電池技術(shù)卻沒有任何重大進展,無法在不增加電池體積的情形下延長供電時間。

電容器技術(shù)的某些進展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊,許多可攜式產(chǎn)品已開始使用高能量超級電容器(super capacitor),做為消費者更換電池時的暫時電力來源;另外,高能量暨高功率的超高電容器(ultra capacitor)還能在短時間內(nèi)提供很大電流,讓電池不必瞬間供應(yīng)龐大電力,可以延長電池的使用時間。這些超高電容器會整合至電池封裝內(nèi),并在系統(tǒng)電力需求不太高時,利用微小電流充電。燃料電池近來是熱門話題,但由于外形包裝尚未標準化,使得燃料電池的廣泛應(yīng)用受到影響,商業(yè)化過程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時響應(yīng)也很糟糕,因此至少在最初階段,燃料電池只會做為普通電池的補強裝置,無法完全取代普通電池。

消費者還希望產(chǎn)品的體積更小,功能更加強大,創(chuàng)新的電源管理組件設(shè)計以及封裝和制程技術(shù)的進步都能幫助實現(xiàn)此目標。日益精密的制程技術(shù)可以制造出越來越小的FET 晶體管,讓晶粒和封裝的體積更小,工作電壓更低,閘極電容更少,使得晶體管的開關(guān)速度更快

—對于以電感為基礎(chǔ)的交換式電源供應(yīng),更快的開關(guān)速度意味著更小的電感。新封裝技術(shù)則能在更小的封裝中容納更多功能,并且承受更大的功耗,例如內(nèi)建FET 開關(guān)的鋰離子電池線性充電組件bq24010 就采用3×3 平方厘米的QFN 封裝,它在普通室溫環(huán)境下,最高能承受1.5W 功耗。

要在較低的工作電壓下提供更強大功能,電源管理單元和低噪聲布局的容忍要求通常也會變的更嚴格,例如系統(tǒng)若要求1.2V 電源的誤差小于±3%,就表示輸出電壓變動幅度不能超過±36mV;相形之下,使用3.3V 電源就表示在同樣的±3%誤差限制下,它能容忍的電壓變動高達±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來幾年內(nèi)對于誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉(zhuǎn)換器的需求將會增加。除此之外,隨著封裝縮小,可供散熱的面積也會減少,讓這些高功耗組件的熱管理繼續(xù)成為困難挑戰(zhàn)。[!--empirenews.page--]

整合的力量

本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源組件。把部份或全部的模擬電源組件和基頻處理器等數(shù)字零件整合在一起會帶來許多優(yōu)點,包括節(jié)省更多的電路板面積,并且降低總成本。復雜電子系統(tǒng)的每個部份都有著不同的需求,這是過去實現(xiàn)更高階數(shù)字和模擬零件整合的障礙之一,例如數(shù)字基頻單元需要高密度制程以支持數(shù)字訊號處理,模擬基頻和電源功能需要電壓更高的組件;射頻單元,特別是鎖相回路,則需要最適合支持高頻操作的BiCMOS 組件。傳統(tǒng)上,制程發(fā)展是由數(shù)字設(shè)計人員負責管理,他們通常只會推動高密度制程發(fā)展,電路若需要高電壓組件,就必須采用不同制程,這表示他們需要獨立的數(shù)字組件。半導體廠商不但開始發(fā)展「最小閘極長度」更短的BiCMOS 制程,以便提供很高的組件密度和工作速度,還有更高電壓的汲極延伸型組件(drain extended devices),它們已用于更多的模擬和電源應(yīng)用。包括電源管理在內(nèi)的許多模擬和數(shù)字功能最后都會整合成單顆芯片。

結(jié)論

不同程度的組件整合正在簡化可攜式電源設(shè)計,尤其是可攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計人員,他們不必再擔心組件的電源需求管理,整合程度不同的電源管理組件可以幫助他們讓電池提供最長供電時間,同時將電路板面積和成本減至最少。