EDA/IP/IC设计 制造/封测/材料 模拟电子电源技术 传感/MEMS/导航定位 无线通信/RF/微波 微处理器/DSP系统 嵌入式设计 MCU/工业控制 可编程逻辑器件 光电/显示技术 存储技术 网络/协议 接口/总线设计 EMI 量测技术 设计/认证 渠道/代理商 分立元器件
返回首页

便携式应用的电源管理趋势

时间:2006-06-06 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:

很多便携式产品都采用单节锂离子电池作为主要电源。但是,由于多个充电电源的存在、要求最佳的效率、产品内有多个电源轨以及有限的电路板空间,管理出入电池的功率就变得越来越复杂。

只要想一想数码相机(DSC)、MP3 播放器、GPS 接收器、个人数字助理(PDA)等产品的情形,就能理解这一点。这些产品大多数都能用 AC 适配器、通用串行总线(USB)电缆或锂离子电池供电。不过,管理和控制这些电源之间的电源通路却带来了极大的技术挑战。直到最近,设计师们一直设法用大量 MOSFET、运算放大器以及此类元器件来个别实现这一功能,但他们一直面临着巨大的热插拔问题和可引起严重系统问题的大浪涌电流。

大多数由电池供电的手持产品都采用专用集成电路(ASIC)来满足电池充电、电源通路控制、提供多个电源等需求,以及实现真正输出断接、准确USB限流等保护功能。采用这种方法的原因很明显:可以用单个器件满足所有电源管理需求。然而,这种做法也存在一些缺点。首先,ASIC 采用特殊芯片制造工艺制造,难于最大限度地提高每项电源管理功能的性能。其次是从订货到交货的时间较长,这与 ASIC 的定义和开发有关,此问题在当今这种动态而设计周期短的时代变得更加重要。一个电源管理 ASIC 从概念到交货的生产时间超过一年半是常见的事。在这么长的时间里,特定产品的设计需求可能已改变了 3 次或更多。

以 MP3 播放器为例,从十几家制造商的多种 MP3 播放器可看出,这些产品的特点和功能存在共性,可用专用标准产品(ASSP)来实现,而且没有用单一芯片制造工艺制造集成电路常常产生的那种性能损失。就这些应用而言,凌特公司的 LTC3455 代表着高水平的功能集成。

采用 4mm × 4mm QFN 封装的 LTC3455 无缝地管理 AC 适配器、USB 电缆和锂离子电池之间的电源通路,同时符合 USB 电源标准。仿佛这还不够,LTC3455 还具有一个全功能线性锂离子电池充电器,可提供高达 800mA 的充电电流,另外还有两个高效率的同步降压型转换器,能产生大多数 USB 外部设备需要的低压轨。此外,LTC3455 还为微处理器提供加电复位信号、为存储卡供电提供热插拔(HotSwap)输出以及提供一个适合用作低电池电量比较器或 LDO 控制器的自由增益构件。

LTC3455 的电源提供方法与属于充电器馈送型系统的现有电池和电源管理集成电路不同。在这类系统中,外部电源不直接向负载供电,而是用适配器或 USB 端口给电池充电,然后再由电池向负载供电。如果电池已经深度放电,那么电源电流要经过一个延迟时间才能到达负载。这是因为在电池获得所需的最低充电量之前不能向外供电。LTC3455 去除了这一延迟,这样 AC 或 USB 电源一接上,手持产品就能加电。此外,该芯片将利用任何未被负载使用的可用电源给电池充电。

功能丰富、由电池供电的新型手持产品的另一个关键趋势是用开关电源代替线性稳压器以延长电池寿命。不过这个趋势导致了另一个设计问题,因为很多手持产品的电路板上都有噪声敏感高频电路以及敏感射频接收器。噪声发生器(开关电源)和噪声敏感电路在一起可能产生干扰。

传统的解决办法是让产生噪声的电路远离对噪声敏感的电路。不过,在今天的手持产品中,例如在智能电话中,元器件排列如此紧密,以至于不可能再用这种方法了。由于成本和尺寸的原因,求助于屏蔽也不实际。传统的开关电源将噪声能量集中到窄带谐波中。不过,如果这些谐波中的一个碰巧与敏感频率(例如,接收器的中频(IF)通带)重合,就有可能产生干扰。这就迫使集成电路制造商设计在输入和输出都具有低噪声以及具有低电磁干扰(EMI)辐射的产品。

一种已经成功运用的降低噪声的方法是让 DC/DC 转换器的系统时钟产生高频抖动。这种方法以及由此产生的扩频工作允许用伪随机数(PRN)序列调制开关频率,以消除窄带谐波。一个在片上实现扩频工作的集成电路例子是凌特公司的 LTC3251。LTC3251 是一个 500mA 高效率、低噪声、无电感器型降压DC/DC 转换器。LTC3251 的扩频振荡器用来产生每个周期的时长都是随机但频率固定在 1MHz 至 1.6MHz 的时钟脉冲。这样做的好处是将开关噪声扩展到较宽的频率范围上。

最新的“智能”蜂窝电话允许Web浏览、无线传输电子邮件、拍照片、播放流式视频甚至玩游戏。一个处于萌芽期的趋势是,蜂窝电话中还包括一个使电话具有高容量存储能力的微型硬盘驱动器(HDD,盘片直径小于 1 英寸),从而使这些智能电话还能作为 MP3 播放器使用。不过,要把这些功能塞进一个外形尺寸已经受限的产品中,同时还要获得更长的工作时间,智能电话制造商无疑面临着越来越大的压力。

从图 1 所示的智能电话方框图中很容易理解,功能越多,在不同的功率级上就需要越多的低压输出轨。蜂窝电话中的主电源轨过去常常是 3.3V 的,而较新的蜂窝电话设计采用 1.5V 主电源轨的情形越来越常见了。原因很清楚,大多数数字大规模集成(LSI)IC 都工作在 1.5V 或更低的电压上。说明这种情况的两个例子是需要 1.375V 电压的基带芯片组和需要 1.2V 电压的应用 DSP(用于视频处理)。

很明显,由于受到空间、效率和成本因素的制约,用负载点(POL)DC/DC 转换直接把 3.6V 的锂离子电池标称输出电压降至上述较低的电压是不现实的。因此,设计师们转而选择采用两步转换的方法。他们先用高效率降压型转换器将锂离子电池电压降至 1.5V。然后,从这个 1.5V 主电源轨,他们可以简单地用非常低压差(VLDO)稳压器为低压数字 LSI 集成电路供电。由于标称工作电流较低以及低压轨之间的转换效率可以达到 80% ~ 90%,所以两步转换方法在很大程度上是可能实现的。例如,在从 1.5V 降至 1.375V 以便为基带芯片组内核供电时,效率为 91.7%。

在现代蜂窝电话中更加流行的功能是具有拍摄高分辨率静止图像和视频图像的内置数字相机。相机性能的提高也导致对大功率白光光源的需求,以使相机可在室内或昏暗环境中使用。广泛用于为彩色显示屏提供背光照明的白光发光二极管(LED)已经成为配备相机的蜂窝电话中的主要光源。白光 LED 拥有能够满足现代蜂窝电话设计师所要求的各种特点,如小尺寸、高光输出、可提供“闪光灯”和持续“视频”物体照明等。高输出功率 LED 一直专门用作各种集成相机灯。这些专门的相机 LED 非常适用于完成物体照明任务,但是它们也是极大的电池功耗源。

虽然用大功率 LED 产生可见光这一基本任务很简单,但是如果不改善现有设计,那么实现高性能电源和电流控制解决方案却是非常困难的,凌特公司的 LTC3454 是专门用来优化效率、准确度和大电流相机灯应用中 LED 电流控制的新产品之一。

LTC3454 是一种同步降压-升压型 DC/DC 转换器,为由单节锂离子电池输入产生高达 1A 电流以驱动单个大功率 LED 而优化。该器件视 VIN 和 LED 正向电压的不同,自动在同步降压、同步升压和 4 开关降压-升压模式之间转换。在整个可用锂离子电池电压范围(2.7V~4.2V)内可实现高于 90% 的 PLED/PIN 效率。

新出现的 3G W-CDMA 应用具有高速数据链路(也称为“高速下行链路分组接入”),因此与其前一代相比,这些应用产生了一些独特的电源需求。为了获得最高的数据传输速率,射频功率放大器(RF PA)需要 4.2V 的标称输入电压。由于锂离子电池大多数情况下都是 3.6V,因此当用锂离子电池为这些应用供电时,需要升压功能以获得 4.2V 电压。传统上,能够获得的最高电压是电池电压减去集成电路中集成的旁路晶体管上的 100mV~200mV 压降。当蜂窝电话改变到话音模式时,射频功率放大器需要更低的电源电压,通常为 1V 左右。提供这些电压一般来说是不难的,但是这里有一个潜在的问题,即电源必须能够在不到 25μs的时间内从 4.2V 迅速转换到 1V(反之亦然)。蜂窝电话从备用模式转换到发送模式时,也需要这么快的转换率,反过来也是这样。这就排除了 SEPIC 转换器或具开关 LDO 的升压型转换器这类解决方案,因为这些解决方案不能在低于 25us 的时间内在高速数据模式和话音模式之间转换。

不过,凌特公司的 LTC3444 同步降压-升压型转换器已经为用于 3G W-CDMA 应用而进行了优化。它可以用单节锂离子电池向 0.5V~5V 之间的输出提供高达 400mA 的持续输出电流。LTC3444 独特的降压-升压型设计使它能够用高于、低于和等于输出电压的输入电压工作。为了获得最高的数据传输速率,射频功率放大器需要 4.2V 标称输入电压。由于锂离子电池大多数情况下都是 3.6V,因此当用锂离子电池为这些应用供电时,需要升压功能以获得 4.2V 电压。这种升压能力使得 LTC3444 对其前一代产品和所有同类器件而言都是独一无二的,这些同类器件采用旁路晶体管代行升压功能,而且只能提供略低于 VBATT 的电压。

实际上所有手持产品都用彩色有源矩阵液晶显示屏(LCD)来显示用户所需的各种类型的信息和数据。不过,制造商所面临的挑战是,确保用户在任何环境中都能从这些显示屏上读取信息。为了实现这一目标,他们必须提供具有合适背光照明量的彩色 LCD。这种背光照明通常由白光 LED 提供。这就产生了以紧凑、高效和低噪声方式为这些 LED 供电的需求。

在白光 LED 驱动器领域,凌特公司拥有两种最佳解决方案,一种采用低噪声无电感器型 DC/DC 转换器(更常见的名称是充电泵),另一种采用升压型 DC/DC 转换器,这两种解决方案之间的主要不同在于是否需要电感器(磁性元件)。无电感器 DC/DC 转换器非常适用于空间受限应用,在这种应用中必须提供低至中负载电流。此外,无电感器 DC/DC 转换器采用小型封装,需要的外部器件非常少,一般仅需要 3 个陶瓷电容器。大多数升压型 DC/DC 转换器都是专门设计的,以便为白光 LED 背光照明提供高效率和恒定电流驱动。凌特公司最近在这一领域推出的产品有 LTC3208 和 LT3486。

LTC3208 是一种无电感器、大电流、软件可配置的多显示屏 LED 控制器,可驱动 17 个 LED。该器件具有 1A 高效率、低噪声充电泵,可向主、副、RGB、相机和辅助 LED 显示屏供电,采用 5mm×5mm QFN 封装。LTC3208 效率高达 95%,具有一个 I2C 串行接口,用户可受益于更长的电池寿命和到微控制器的简单 2 线接口。LT3486 是一种双输出、1.3A 白光 LED 升压型转换器,具有宽调光范围,专门用于由单节锂离子电池提供恒定电流以驱动多达 16 个 LED(每个转换器 8 个串联 LED)。这种转换器采用 5mm×3mm DFN 封装,具有高达 85% 的效率,可实现设计灵活性和紧凑的解决方案占板面积。
(责任编辑:admin)
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名:密码: 验证码:点击我更换图片
推荐内容