电源管理子系统IC及其应用

电源管理子系统IC及其应用

  当今，大多数消费类和移动应用的电池都是基于锂离子技术，如锂离子、锂离子聚合物电池等。这类电池都具有优异的容量性能，并具有3.3V~4.2V电压范围，这允许用3V额定电源的IC在系统中实现有效的电源管理。

　　随着IC电压需要继续降低以使工作时间延长，现在很多系统也需要多电源和更复杂的电源管理功能。为了满足这些要求，设计人员也习惯从多家供应商选用各种现成的低集成电源管理元件，以便迅速地开发产品。往往复杂电路的电源子系统仅包含一个或两个电源和一些分立元件(如低压稳压器LDO和降压变换器)。

　　某些系统设计(特别是便携电子设备)复杂性的增加，意味着需要更多控制，而设计人员应考虑如何使效率最佳化，靠关闭不用的功能并在多电源运行时保证稳定和正确的工作。

　　这样采用多个分立元件已经不够。伴随着设计复性的增加，需要采取系统级方法来设计电源管理子系统，在电压产生和稳压的基本功能中，增加复杂性。靠增加另外的器件到已有的元件集合中，可以满足这样要求，而且不增大成本和PCB面积。

　　除考虑较高的集成度外，还必须考虑支持系统所需的整个性能。从电源管理的观点，要求更多考虑到电源管理子系统所规定的功能，集成所有功能，而不影响技术性能。例如，典型的手持应用具有锂离子电源，控制主要功能的处理器、存储器、外部外设(如显示)、存储器扩展(如SD或MMC卡)和一些模块功能(如数据转换或传感器接口)。这样的系统根据每个功能的不同，需要一些不同的电源。处理器通常需要两个电源——一个用于芯核的低电压(以便节省功耗)和用于接口其他器件的较高电压。模拟功能需要较高的电压来保证工作范围，或提供有力的输出驱动能力，而随着显示大小和复杂性的增加，显示驱动器需要较高的电压。

　　集成的电源管理子系统应该考虑的其他问题包括：

　　·接通系统的方法：采用机械开关还是电子方法？接口如何连接到控制器(典型的例子是双功能开关，它把电源和其他功能结合在一起)。
　　·电池电源超出范围(欠压或过压)。
　　·各个电源的排序：多电压的一个问题是需要首先激励最高电压的电源，以防IC闭锁。
　　·永久激励的电源是否需要休眠功能。
　　·不去掉电池关闭系统。
　　可以针对这些问题采用标准元件，如POR(通电复位)电路、电池监控IC和PLD(可编程逻辑器件)。然而，系统增加元件会增加成本和增大PCB面积。

　　电源管理子系统IC

　　电源管理子系统IC(PMIC)能集成更多的功能，它处于简单功能器件(如低压稳压器LDO或开关转换器)和复杂的系统芯片IC(包含电源管理等很多功能)之间。

　　PMIC(图1)的目的是为锂离子供电的便携应用提供核心功能，为最大电池寿命提供有效的工作。核心功能通常是高效率降压转换器和若干低静态电流LDO。

　　典型系统中的PMIC示于图2，需要注意几个不同的外部问题。例如，电源管理需要直接与电池(一般是单个锂离子电源)接口，而工作时有没有控制器产生和控制若干系统电源。在最简单的系统(没有控制器，但需要多个电源)中，加一个合适的电池电压和使能信号将启动器件，激励所有的稳压器。PMIC可以继续工作，直到用户用ONKEY引脚关断器件或发生错误条件为止(如低电池电压)。

　　从控制和可编程性观点看，关于稳定输出电压的选择越多，灵活性就越大。通过专门引脚，用简单控制接口到微控制器是一种简单的选择，通过I2C总线用更全面地控制，可以提供可编程输出电压。

　　通常，PMIC包含若干LDO稳压器、DC-DC降压转换器和其他功能。

LDO电压稳压器是电源管理系统的中心部分，能为系统中其他IC产生稳定、低噪声电源电压。LDO的重要性能参量是电源抑制比(PSRR)和静态电流，后者将直接影响待机时间。每个稳压器的静态电流似乎是小的，但系统中有多个稳压器和其他功能加起来会增大10或20倍，这会变得很大。

　　PSRR是干扰电平的量测，一旦发生稳压，PSRR仍然呈现在电源线上。若这种瞬态不能被抑制，则它们会呈现在音频频段，成为不舒服的音调。另外的情况是会添加对RF信号的调制，这可能导致假的传输，而需要另外的滤波来去除它们。

　　为了在宽频段达到高PSRR，LDO误差放大器通常具有偏置电流校准，用于最坏工作条件下校准最高输出电流。随着偏置的固定和与电流定位无关，这会导致放大器过偏置和消耗比低电流定值所要求的更高静态电流。基于此原因，高性能LDO设计通常需要有低功率休眠模式，以降低低电流定值下的低效率。

　　Dialog Semiconductor 公司的专利是解决此问题的独特方法，是采用称之为Smart Mirror LDO稳压器的设计技术，这种稳压器比当今所用的其他稳压器具有更佳的PSRR性能。
　　Smart Mirror 稳压器镜像返回到偏置产生器的输出电流定值，使偏置随定值下降而自动降低并给出动态的静态电流控制(见图3)。这种方法所设计的稳压器在宽工作电流范围具有高PSRR和动态性能，这不受所有条件(最大负载除外)下过偏置设计折衷考虑的限制。具有自动自适应偏置控制，消除了所需的低功率工作模式和任何用户干预开关到低电流定值的低功率模式。

　　采用此技术提供10mA的LDO通常具有99%电流效率，耗电低于20μA。另外，电源抑制在较高带宽(217Hz)下具有较高性能。
Smart Mirror稳压器的PSRR大于80dB，在10KHz其PSRR仍然高于60dB。

　　非常高集成度的PMIC除集成多个高性能LDO外，通常包括高效率可编程输出电压的降压转换器，单独可选择的LED驱动器、可编程电池充电器，音频驱动器和其他功能。

降压转换器改善了电路效率和降低了功耗。带集成开关的DC-DC降压转换器可为基带电路提供高电流、低电压电源，用同步和异步模式，保证在宽电流定值范围内的效率，其电源效率大于90%。显然，这对于移动手机的待机时间和通话时间是一个冲击。

　　典型应用

　　便携煤体播放机

　　随着更多系统需要电源轨，设计随着更多系统需要电源轨，设计人员的任务变得更复杂，采用简单的电源管理方案成为整个系统开发周期的一个关键因素。

　　一个基本的PMIC适合于低功率系统，如便携媒体播放机(见图2)，这种系统一般包括数字和模拟功能，而且，系统中采用先进的微控制器或DSP，从而需要分离的芯核和外设电源。实际上基本的PMIC可以用在采用单个锂电池或3·3V电源的系统，例如，很多计算机接口(如PCMCIA、SD、MMC、Compact Flash和mini PCI)中。

　　PMIC提供基本的系统级电源管理方案，能处理ON/OFF控制，电源定序和电池监控，使得PMIC成为较复杂系统的核心。用标准元件可以增加另外的功能(如附加的稳压器或电池充电)，使设计人员能快速地配置一个完整的系统。

　　移动手持装置

　　具有较高集成度的PMIC可以为移动手持装置中的应用处理器(如Intel PXA27×处理器)和通信处理器提供所有的电源管理功能(见图4)。

　　在系统中，PMIC提供电源，电池管理和有效设计的休眠模式功能并支持显著节省功率的无线Intel SpeedStep 技术。

　　PMIC的高集成度与等效的分立元件方案相比，能显著地降低整个系统的成本和大小。应用处理器控制与外设功能有关的整个系统，而通信控制器突出在无线通信部分的控制。

　　应用处理器和PMIC可以互连构建一个带少量附加元件的有效电源系统。

　　大多数手持系统要求以最低的功耗工作，以便保持较长的工作时间。集成PMIC可提供几种工作模式：电源中断、上电启动、激活和休眠，具有小的形状因数以及最小PCB面积。