UMPC(超便攜移動(dòng)個(gè)人電腦)和MID(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端)是近年來最具成長潛力的便攜式電子產(chǎn)品。作為一種硬件設(shè)計(jì)小巧輕便的設(shè)備，通過UMPC，用戶可以享受移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢，還可以在移動(dòng)過程中訪問多種辦公應(yīng)用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類似，同樣為便于攜帶的移動(dòng)PC產(chǎn)品，便于用戶隨時(shí)享受影音娛樂、進(jìn)行郵件收發(fā)等操作。
更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移動(dòng)特性使得UMPC和MID產(chǎn)品對(duì)電源系統(tǒng)的性能、功耗、保護(hù)及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID產(chǎn)品需要向處理器、存儲(chǔ)器、顯示器和其它部分提供不同的工作電壓，以減少處理器消耗的電量，延長電池的運(yùn)行時(shí)間，并提高電池的供電效率。因此，本文將從UMPC和MID中的處理器、存儲(chǔ)器、顯示器這幾個(gè)方面著手對(duì)其電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討。
多個(gè)電壓軌的安排成為一大挑戰(zhàn)
UMPC和MID設(shè)備現(xiàn)已成為一個(gè)集成多種功能的平臺(tái)，該平臺(tái)上匯集了消費(fèi)者所能想象的幾乎所有功能，如移動(dòng)電話、網(wǎng)頁瀏覽、辦公軟件、電子郵件、藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戲、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電視、多媒體播放器等等。無疑，如此高的集成度將給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來重大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括高功耗、散熱、高效電源管理、EMI和噪聲消除等問題。飛兆半導(dǎo)體公司(Fairchild)資深工程師李仁果認(rèn)為，解決上述挑戰(zhàn)的途徑包括：利用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)解決方案提高功效;通過良好的電路板布局改進(jìn)散熱和EMI;高性能DC/DC功率模塊加上具有低噪聲LDO的低VIN解決方案在設(shè)計(jì)靈活性、易用性和成本因素方面優(yōu)于電源管理單元(PMU)。
在將上述多個(gè)功能模塊組合在一起時(shí)，由于每一個(gè)內(nèi)核芯片都有其自己的上電順序，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不能像在功能手機(jī)中那樣共享電壓軌。“在3×3英寸的面積中安排多達(dá)20多個(gè)電壓軌是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。集成的電源解決方案應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。但對(duì)于芯片設(shè)計(jì)人員而言，如何在靈活性和集成度之間實(shí)現(xiàn)平衡是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)?！钡轮輧x器(TI)中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為表示。
但所有的功能模塊并不需要在同一時(shí)間內(nèi)使用，因此總體而言，電池容量足以支持功能擴(kuò)展的趨勢。此外，MID/UMPC并不是一個(gè)純粹的娛樂設(shè)備，它還可作為工作的有益工具。終端用戶需要知道他們可播放視頻的時(shí)間長短、可上網(wǎng)的時(shí)間長短以及可通過Skype/MSN和客戶聊天的時(shí)間長短。這樣就可以分配時(shí)間并保存實(shí)現(xiàn)必要功能所需的電池能量。因此，在許多應(yīng)用中，能夠精確預(yù)測電池運(yùn)行時(shí)間變得至關(guān)重要。
另一個(gè)挑戰(zhàn)在于保持同等(甚至更長)電池工作時(shí)間，而不會(huì)顯著增加電池尺寸。安森美半導(dǎo)體數(shù)字及消費(fèi)產(chǎn)品部系統(tǒng)及應(yīng)用經(jīng)理Jacques Lavernhe強(qiáng)調(diào)，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、藍(lán)牙等多種無線協(xié)議，除了集成電源管理集成電路(PMIC)和電源空間間隔尺度等電源管理技術(shù)，還應(yīng)該特別注意節(jié)省通信設(shè)備物理層(PHY)輸出的能量。在工作階段，無線物理層一直在睡眠與工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換?！霸谒郀顟B(tài)，RF功能關(guān)閉，但數(shù)字內(nèi)核仍在工作。可利用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術(shù)來節(jié)省大量電能?！?
同樣是考慮到在一個(gè)外形纖巧的設(shè)計(jì)中能實(shí)現(xiàn)以上所有功能以及較長的電池壽命，美信集成產(chǎn)品公司(Maxim)Infopower業(yè)務(wù)總監(jiān)Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC設(shè)備中，需要多達(dá)30至40個(gè)電壓調(diào)節(jié)器對(duì)處理器和所有外設(shè)供電。需要具有高效調(diào)節(jié)器和最少外部元件的高集成度PMIC來盡可能地延長電池壽命，并減小MID/UPMC的尺寸。
由于UMPC產(chǎn)品中普遍需要多個(gè)不同的電壓軌(通常由單節(jié)鋰離子電池來提供)，其中包括多個(gè)微處理器電壓軌以及眾多的特殊功能電路電壓軌。因此，人們迫切要求電池能提供所需的功率。不過，電池的外形尺寸相對(duì)較小，而且功率密度也只實(shí)現(xiàn)了中等程度的增加。在這種情況下，電池運(yùn)行時(shí)間和良好的熱管理都成為了重要的賣點(diǎn)，對(duì)于非常緊湊且具有高效率的多輸出同步轉(zhuǎn)換器的需求便應(yīng)運(yùn)而生。
轉(zhuǎn)換效率上的提升使得同步降壓、升壓或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，在電池運(yùn)行時(shí)間上獲得了實(shí)質(zhì)性的改善。此外，這些轉(zhuǎn)換器還提供了約95%的效率，并免除了增加任何散熱裝置的需要。凌力爾特公司(Linear)針對(duì)便攜式電源管理應(yīng)用提供的產(chǎn)品擁有許多獨(dú)特優(yōu)勢，包括：高開關(guān)頻率(高達(dá)8MHz)、高效轉(zhuǎn)換(以最大限度地減少熱問題)、輕負(fù)載時(shí)的高效率、待機(jī)模式中的非常低靜態(tài)電流(低至9μA)和高集成度(內(nèi)置了集成MOSFET和肖特基二極管)。該公司近期推出的多輸出同步降壓和降壓-升壓型穩(wěn)壓器系列即可提供這種超緊湊型的高效率解決方案(如LTC3544、LTC3545等)。
在低成本、外型輕薄和具有移動(dòng)上網(wǎng)功能的前提下，UMPC/MID的電源設(shè)計(jì)還必須擺脫傳統(tǒng)個(gè)人電腦外部零件復(fù)雜、具有較高的輸出噪聲和待機(jī)功耗、較高BOM成本等限制。為此，阿瑟萊特科技(AXElite Technology)針對(duì)UMPC/MID推出了兼具極少外圍組件和超低壓差的1A～5A ULDO線性穩(wěn)壓器，并且為達(dá)到產(chǎn)品輕巧和對(duì)省電的要求，根據(jù)Intel ATOM或VIA NANO平臺(tái)上配置的UMPC/MID電源所需提供的各種低電壓轉(zhuǎn)換要求來提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)方案。例如，1.5V轉(zhuǎn)1.2V穩(wěn)定供給802.11/藍(lán)牙無線模塊所需的1A～5A電源管理方案，可將外部組件減到最少并且紋波噪聲比傳統(tǒng)開關(guān)式穩(wěn)壓器更低。
面向處理器功耗優(yōu)化的電源管理
UMPC/MID設(shè)備中常用的微處理器具有多個(gè)低電壓軌，在接通和停機(jī)期間必須對(duì)這些電壓軌進(jìn)行正確的上電操作。這些低電壓軌通常包括CPU內(nèi)核電壓、I/O和一些存儲(chǔ)器。此外，CPU內(nèi)核電壓還會(huì)視所需處理電平的不同而改變，因而要求電源對(duì)其電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到優(yōu)化功耗的目的。
凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降壓型穩(wěn)壓器，能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續(xù)輸出。每個(gè)通道均可通過板上I2C接口(兩個(gè)通道通過I2C，另兩個(gè)通道則通過RUN引腳)進(jìn)行獨(dú)立控制(包括輸出電壓)，從而使其非常適合于那些要求對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的應(yīng)用(如微處理器)。
LTC3562采用一種恒定頻率和電流模式架構(gòu)，工作輸入電壓范圍為2.85V至5.5V，因而使其成為單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池或多節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫電池應(yīng)用的理想選擇。LTC3562有兩個(gè)通道(600mA和400mA)，可通過將反饋電壓設(shè)置在425mV至800mV之間(利用I2C接口)來調(diào)節(jié)輸出電壓。另兩個(gè)通道則提供了固定輸出電壓，可利用I2C接口將輸出電壓設(shè)置在600mV至3.775V之間(以25mV為梯級(jí))。這種輸出電壓獨(dú)立控制水平使得該器件非常適合于管理便攜應(yīng)用中所常見的多個(gè)電源軌。
德州儀器(TI)的張洪為對(duì)此亦有認(rèn)同，“為盡可能地減少能耗，可采用多個(gè)電壓軌。我們使用該技術(shù)將電池的工作時(shí)間幾乎延長了一倍。今后人們還將不斷降低電壓，但就電壓降低而言，系統(tǒng)的不同部件具有不同的問題和步驟，因此將會(huì)出現(xiàn)更多的電壓軌?！彼J(rèn)為，一種較簡單的解決方案就是采用低壓輸入 LDO。利用這種技術(shù)的支持，就可以從鄰近的電壓軌得到多個(gè)電壓軌并保持最高效率。例如，可以從1.8V的電壓軌獲得1.6V PLL電壓，并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的許多PMU均采用低輸入LDO，如TPS65051。
雖然處理器要執(zhí)行從音視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽到游戲等大量任務(wù)，但它仍然需要在一段較長時(shí)間內(nèi)保持待機(jī)狀態(tài)。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，處理器的功耗可能在幾微安到數(shù)安培之間變化，給處理器供電的電壓調(diào)節(jié)器需要在所有負(fù)載條件下都提供高效率。此外，電壓調(diào)節(jié)器還應(yīng)提供動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、極高的電壓精度以及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，以滿足處理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load專利技術(shù)的MIC23031調(diào)節(jié)器可以在各種負(fù)載條件下提供很高的效率。
安森美半導(dǎo)體(On Semiconductor)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部市場營銷經(jīng)理David Chu則補(bǔ)充道，對(duì)于MID及UMPC專用的英特爾Atom處理器而言，用于Atom處理器的電源管理解決方案需要滿足英特爾的IMVP6+規(guī)范。此外，為達(dá)到延長電池使用時(shí)間和減小電路板面積的目標(biāo)，高轉(zhuǎn)換效率和小尺寸也是非常重要的因素。
ADP3211A是安森美半導(dǎo)體針對(duì)英特爾Atom處理器的專用解決方案，完全兼容于英特爾的IMVP6+規(guī)范。該解決方案采用安森美半導(dǎo)體專有的斜坡脈沖調(diào)制(ramp-pulse-modulated, RPM)控制技術(shù)，可最大限度提升整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)將輸出解耦電容減至最小。NT MD4820N是安森美半導(dǎo)體的雙N溝道MOSFET，它將MOSFET的占位面積減小了多達(dá)50%。利用這兩款器件，即可提供完美的解決方案為MID/UMPC產(chǎn)品中的處理器供電。
DDR2/3存儲(chǔ)器電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
由于運(yùn)行DDR的速度非?？?，功耗和優(yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng)成為電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在，而高效、易用的DC/DC解決方案是最佳選擇之一。飛兆半導(dǎo)體的FAN5236是一款雙輸出DDR PWM/PFM控制器，為兩種在0.9V到5.5V范圍可調(diào)的輸出電壓提供高效調(diào)節(jié)，而這是為高性能筆記本電腦、PDA和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的I/O、芯片集和內(nèi)存供電所必需的。輕負(fù)載下的同步整流和滯后運(yùn)作有助于在寬泛的負(fù)載范圍提高效率。如果需要在所有負(fù)載水平下使用PWM模式，可在每個(gè)PWM轉(zhuǎn)換器上分別取禁用滯后運(yùn)作模式。
“為DDR2/DDR3供電是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，尤其是在高數(shù)據(jù)速率的情況下。”TI的張洪為表示，此外，由于存在多種工作模型并且需要在各個(gè)模型之間順暢地轉(zhuǎn)換，因此通常會(huì)有一個(gè)專用DDR 內(nèi)存電源芯片來供電。該公司的TPS51116就是業(yè)界最常用的DDR電源解決方案之一。不過，在美信公司的Mehdy Khotan看來，“DDR2/DDR3存儲(chǔ)器供電真的沒有特別的挑戰(zhàn)?！?
在單節(jié)鋰離子電池供電型UMPC中，主存儲(chǔ)器將由一個(gè)小型硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)來提供。這些小型HDD通常需要一個(gè)3.3V的恒定電壓(在300mA標(biāo)稱電流條件下，峰值電流為500mA)。新一代鋰離子電池的輸出電壓變化范圍從4.2V到低至2.5V。因此，為優(yōu)化至HDD的功率輸送，最佳的解決方案是采用一個(gè)集成降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。凌力爾特針對(duì)這一需求推出了LTC3532降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這是一款高效率、固定頻率、降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠利用單個(gè)電感器對(duì)一個(gè)高于、低于或等于輸入電源電壓的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
英飛凌科技(Infineon)基于Primarion技術(shù)的動(dòng)態(tài)相位調(diào)節(jié)功能亦可輕松滿足高效與節(jié)能要求。Primarion控制器可在規(guī)定電流水平下完成動(dòng)態(tài)相位調(diào)節(jié)，提高輕載或空閑模式下的效率。實(shí)現(xiàn)這種功能時(shí)，客戶不必花費(fèi)額外的費(fèi)用或資源?？刂破骺稍谙辔辉鰷p之間輕松切換，以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。另一方面，Primarion控制器可根據(jù)實(shí)際DDR DIMM(雙列直插內(nèi)存模塊)的數(shù)量，調(diào)節(jié)控制相位。這種功能也可改善系統(tǒng)效率，防止在所插入的DIMM較少時(shí)出現(xiàn)功率浪費(fèi)的情況。
有源OLED顯示屏的推薦電源解決方案
目前，有源矩陣OLED(AMOLED)技術(shù)正在顯示屏領(lǐng)域興起。它既結(jié)合了PMOLED技術(shù)的優(yōu)勢，又輕松地克服了PMOLED技術(shù)的局限。但是，AMOLED顯示屏為工程師帶來新的挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體的Jacques Lavernhe推薦使用由升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器組成的雙路DC/DC解決方案，這是因?yàn)锳MOLED驅(qū)動(dòng)器需要鋰離子電池提供正電源和負(fù)電源。要防止顯示屏上出現(xiàn)任何色彩偏移或閃爍，DC/DC轉(zhuǎn)換器必須結(jié)合不同的特性，如高精度和極佳的動(dòng)態(tài)參數(shù)。此外，便攜應(yīng)用的一些關(guān)鍵特性，如電池工作時(shí)間、元件數(shù)量和解決方案的極小尺寸等也須考慮。
美信公司的Mehdy Khotan還補(bǔ)充道，MID/UPMC顯示器的尺寸在3.5至7寸之間變化，美信公司可為MID/UPMC應(yīng)用提供分立器件和PMIC顯示器背光驅(qū)動(dòng)器，這些器件可以支持1至4串LED(8個(gè)LED)來滿足以上要求。該公司還擁有能夠提供OLED應(yīng)用所要求的正/負(fù)電壓軌的獨(dú)立器件。如果OLED在MID應(yīng)用中廣泛采用，那么這些器件可作為IP塊集成在PMIC中。
為TFT-LCD顯示器供電是也極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)級(jí)難題之一。TI的張洪為強(qiáng)調(diào)，因?yàn)檫@不但要考慮效率、EMI，而且還要顧及波形、上電順序等問題。任何不匹配都將會(huì)導(dǎo)致圖像缺陷，而無法被最終用戶所接受。例如，一旦LCD偏置與音頻放大器共享 5V 的電壓，則可能會(huì)出現(xiàn)水紋問題。TI推出的TPS65150就是一款可提供LED背光和LCD偏置的芯片解決方案，其內(nèi)置的緩沖器放大器可以成功地消除水紋問題。
對(duì)于TFT-LCD顯示器，凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場主管Tony Armstrong的觀點(diǎn)是，為實(shí)現(xiàn)TFT-LCD屏幕的正確供電，一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器必需能夠提供3個(gè)獨(dú)立的輸出電壓(即：AVDD、VON和VOFF)以及正確的上電和斷電排序。凌力爾特最新推出的LT3513轉(zhuǎn)換器具有5個(gè)獨(dú)立控制的穩(wěn)壓器，用于提供TFT-LCD屏幕內(nèi)部所必需的全部電源軌。其降壓型穩(wěn)壓器能夠輸送高達(dá)1.2A的連續(xù)輸出電流(用于邏輯電源軌)?？梢岳肔DO控制器和一個(gè)外部NPN MOSFET產(chǎn)生一個(gè)較低電壓輔助邏輯電源。一個(gè)高功率升壓型轉(zhuǎn)換器、一個(gè)較低功率升壓型轉(zhuǎn)換器和一個(gè)負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器提供了3個(gè)獨(dú)立的輸出電壓。一個(gè)集成高壓側(cè)PNP提供了VON信號(hào)的延遲接通，而顯示屏保護(hù)電路則負(fù)責(zé)在4個(gè)輸出中的任何一個(gè)低于其編程輸出電壓達(dá)10%以上時(shí)停用VON，從而起到保護(hù)TFT-LCD屏幕的作用。
