便攜式媒體播放器的電源管理

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

不斷發(fā)展的消費(fèi)者需求對(duì)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。音頻/視頻回放、游戲等功能都需要高效地使用電池電量。設(shè)計(jì)時(shí)尚、小巧、用戶友好型器件需要采用極微小的電子與機(jī)械集成組件。為了盡可能延長(zhǎng)工作時(shí)間，認(rèn)真考慮電池的化學(xué)特性與容量以及電池電量監(jiān)測(cè)功能是至關(guān)重要的。對(duì)功率轉(zhuǎn)換電路的正確選擇也決定著電池為系統(tǒng)供電的效率。器件有著嚴(yán)格的尺寸要求，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)在小而薄的封裝中采用集成組件，以確保良好的功耗性能。雖然先進(jìn)的電源IC能在同一器件上集成數(shù)個(gè)電源通道，但我們必須了解系統(tǒng)的電源分組，以避免過度集成。在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，如果所有供電組件都集中在相同的位置，會(huì)造成電源管理器件到實(shí)際負(fù)載點(diǎn)的線跡過長(zhǎng)，從而會(huì)導(dǎo)致噪聲和散熱問題，進(jìn)而延長(zhǎng)開發(fā)時(shí)間。

創(chuàng)新型解決方案

一款便攜式媒體播放器處理器、內(nèi)存以及顯示器需要若干不同的電壓軌和大量的電源電能。電池必須得到高效充電和管理，并實(shí)現(xiàn)從電池電壓到IC 電源電壓的高效率轉(zhuǎn)換。否則，用于音頻的電池使用時(shí)間持續(xù)16小時(shí)以及用于視頻回放的電池使用時(shí)間持續(xù)5小時(shí)的目標(biāo)就很難實(shí)現(xiàn)。

圖1 典型便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)

圖1顯示了針對(duì)便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)。鋰離子電池充電器能安全準(zhǔn)確地給電池再充電，而精確的電池電量監(jiān)測(cè)器件可確定充電狀態(tài)，并有助于系統(tǒng)最大限度利用任何可用電量。數(shù)個(gè)電源轉(zhuǎn)換器將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的系統(tǒng)電壓。最重要的是為具有顯示控制器與背光功能的TFT LCD顯示器供電。對(duì)于內(nèi)存以及其他組件而言，主電源為3.3V電壓軌通常需要高達(dá)1A的電流。而對(duì)硬盤而言，3.3V的電源通常由獨(dú)立的主電源電壓軌提供，因?yàn)樵撾妷很売上到y(tǒng)單獨(dú)控制以實(shí)現(xiàn)在不需要時(shí)將其關(guān)閉，因此可節(jié)省能耗。處理引擎需要一些超低內(nèi)核電壓，1.2V或1.8V即可。音頻必須是具有線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出以過濾開關(guān)轉(zhuǎn)換器的噪聲。

充電器必須具備管理若干輸入源的功能，如電腦與外設(shè)的USB端口以及AC/DC墻上適配器。在適配器引腳上的輸入電壓額定值高達(dá)18V，這不僅能避免系統(tǒng)在DC電源線路上出現(xiàn)過壓峰值，而且還能使用價(jià)格較低的非穩(wěn)壓墻上電源。充電IC能夠決定進(jìn)入電池的實(shí)際充電電流和系統(tǒng)所用的電流。因此，在電池充電和系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行的情況下，充電過程也不會(huì)出現(xiàn)非正常終止問題。上述解決方案實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的電源管理，在系統(tǒng)和電池間合理分配可用的DC輸入功率。如果系統(tǒng)電流上升，電池充電電流會(huì)自動(dòng)降低，反之亦然。這樣有助于優(yōu)化成本，使墻上電源也能滿足系統(tǒng)整體對(duì)電池與應(yīng)用的平均用電需要，而不是必須采用滿足最嚴(yán)格用電條件的電源。

我們可用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)來精確測(cè)定剩余電池電量，從而進(jìn)一步改善電池管理。這樣，處理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充電時(shí)提醒用戶，從而更好地管理媒體播放器的功耗。

媒體播放器的功率轉(zhuǎn)換主要通過轉(zhuǎn)換DC穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為，就穩(wěn)壓工作而言，線性穩(wěn)壓器解決方案具有體積小和成本低等優(yōu)勢(shì)。但如果電流超過300A，就會(huì)因?yàn)楣奶叨枰及搴艽笄覂r(jià)格昂貴的散熱片。如果輸出電流較高且輸入至輸出的電壓差分很大，就會(huì)發(fā)生此類問題。假設(shè)我們用3.6V的鋰離子電池提供1.2V的內(nèi)核電壓，線性穩(wěn)壓器這時(shí)的工作效率只有33%，電池電力大部分都變成散熱消耗掉了。DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作效率實(shí)際高達(dá)90%以上，其功耗僅為低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 功耗的一小部分。

圖3給出了高效功率轉(zhuǎn)換的實(shí)例。為了給1.5V 500mA編碼器/解碼器引擎提供內(nèi)核電壓，我們采用了一款具有FET的高度集成的同步DC/DC轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)了最大功率效率，并盡可能地減少了外部組件數(shù)。采用該解決方案時(shí)，無需使用占板較大的散熱片。相對(duì)DC/DC控制器解決方案而言，高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器采用片上轉(zhuǎn)換FET并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制。這就是說，設(shè)計(jì)工程師不必選擇外部晶體管，也不必采用昂貴而難用的設(shè)計(jì)軟件來分析補(bǔ)償與穩(wěn)定條件。組件選擇非常方便，我們只需按照產(chǎn)品說明書采用推薦的電感器即可。

圖2 具有動(dòng)態(tài)電源管理功能的雙DC輸入線性充電解決方案

圖3 組件數(shù)量少且封裝小巧的高頻3MHz DC/DC轉(zhuǎn)換器

圖3中的DC/DC 降壓解決方案顯示了節(jié)省空間的特性。由于集成了開關(guān)晶體管，因此電路只需要一個(gè)電感器及兩個(gè)電容器。該器件具有獨(dú)特的控制架構(gòu)，可以使電源對(duì)負(fù)載瞬變快速做出反應(yīng)并保持高精度穩(wěn)壓。極高的3MHz開關(guān)頻率可將電感器尺寸降至僅為1μH，從而能使用高度還不足1mm的芯片電感器。該整體解方案可以構(gòu)建成適合5mm×5mm的應(yīng)用。為進(jìn)一步降低功耗，先進(jìn)的DC/DC穩(wěn)壓器還提供自動(dòng) PFM/PWM 模式轉(zhuǎn)換功能，在很大負(fù)載范圍上,都能最大化轉(zhuǎn)換效率。低負(fù)載電流運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換器可進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式，而負(fù)載電流大于50mA時(shí)，脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制方案則能對(duì)其提供支持。

結(jié)語

消費(fèi)者希望小型設(shè)備能夠提供更多功能，且實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作時(shí)間。電池技術(shù)與低功耗半導(dǎo)體組件的不斷發(fā)展可以幫助工程師逐步滿足上述要求。精確監(jiān)測(cè)電池容量有助于充分利用電池全部電力，與高效的功率轉(zhuǎn)換相結(jié)合，有助于充分發(fā)揮電池的作用。我們采用高度集成的電源管理器件，并盡可能減少外部組件數(shù)和縮小封裝尺寸，這有助于高效利用有限的板級(jí)空間，以便集成更多功能，并減小產(chǎn)品尺寸與重量。