面向新式 uP 的高性能、高集成度電源 IC ：打入工業(yè)和醫(yī)療市場

背景

飛思卡爾、邁威爾、ARM 和其它半導(dǎo)體廠商設(shè)計(jì)的高電源效率微處理器 (uP/CPU) 系列在日益擴(kuò)充，目的是為多種無線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能的處理能力。這些微處理器產(chǎn)品開始時(shí)的設(shè)計(jì)意圖是幫助消費(fèi)電子產(chǎn)品 OEM 開發(fā)電池壽命更長、體積更小和更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的便攜式手持設(shè)備，同時(shí)提供增強(qiáng)的處理性能，以運(yùn)行功能豐富的多媒體消費(fèi)類應(yīng)用。

要實(shí)現(xiàn)更高的處理能力同時(shí)又不提高系統(tǒng)功耗，需要在電流日益提高的同時(shí)以更低的電壓工作?；蛘哂捎趹?yīng)用的需要，或者由于工藝技術(shù)的線寬，便攜式和嵌入式系統(tǒng)都含有各種為以不同電壓工作而優(yōu)化的組件。最終結(jié)果是，采用最新“便攜式”處理器的系統(tǒng)需要大量大電流、低壓軌，典型情況為 1.8V 或更低。除了無數(shù)的低壓軌，這些應(yīng)用中很多還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器、面向外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在嵌入式應(yīng)用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型 DC/DC 或 LDO 產(chǎn)生。

近來，這種同時(shí)要求高電源效率和高處理性能的需求也已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)和醫(yī)療便攜式應(yīng)用。作為最新和功能豐富的高端消費(fèi)類便攜式設(shè)備，手持式數(shù)據(jù)收集設(shè)備、堅(jiān)固耐用的庫存控制和跟蹤設(shè)備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式 EKG 設(shè)備以及其它便攜式醫(yī)療設(shè)備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設(shè)備必須堅(jiān)固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜” 的。不過，在所有情況下，不管是什么應(yīng)用，要正確控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)，并確保用這些處理器可能實(shí)現(xiàn)的所有效率優(yōu)勢，必需有一個(gè)高度專業(yè)的、高性能電源管理伴隨 IC。

就便攜式應(yīng)用而言，主電源一般是大型單節(jié)鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產(chǎn)品中 3.3V 系統(tǒng)電源的電壓。諸如手持式終端、條碼掃描儀、RFID 閱讀器等應(yīng)用需要一個(gè)降壓-升壓型電源以產(chǎn)生 3.3V 軌。不管這類“便攜式”處理器系統(tǒng)是否是電池供電的，伴隨它們而來的其它復(fù)雜性包括：需要以特定順序?qū)λ须娫吹慕油ê蛿嚅_排序；視系統(tǒng)處理需求的不同而不同，要能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)高和調(diào)低電源電壓。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，滿足所有微處理器和有關(guān)應(yīng)用的電源需求的單個(gè)集成式解決方案極其有利。要在多種應(yīng)用中滿足這些需求，就需要一個(gè)高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。

降壓-升壓功能的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

今天功能豐富的新式電子系統(tǒng)大多數(shù)仍然需要 +3V 范圍內(nèi)的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統(tǒng)中的 I/O 或者外部設(shè)備軌供電。在電源管理 IC (PMIC) 中集成同步降壓-升壓開關(guān)功能后，允許跨 2.7V 至 5.5V 的整個(gè)輸入電壓范圍以高效率實(shí)現(xiàn) 3.3V 調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效率比簡單的降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器挑戰(zhàn)性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，更是這樣。

減少熱量，優(yōu)化系統(tǒng)效率

很多任務(wù)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PMIC 都帶有各種內(nèi)置的線性穩(wěn)壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設(shè)計(jì)的輸入/輸出電壓和輸出電流值對(duì)線性穩(wěn)壓器進(jìn)行正確管理，那么線性穩(wěn)壓器可能在 PC 板上產(chǎn)生局部的熱量“熱點(diǎn)”。或者，當(dāng)輸入和輸出電壓之差很大，和/或如果輸出電流很大時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內(nèi)置低壓 uP 和具功能豐富的器件中，開關(guān)穩(wěn)壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關(guān)模式的電源越來越重要了。不過，LDO 提供低噪聲輸出和很高的 PSRR 性能，因此，必須評(píng)估這兩種權(quán)衡之策。在很多情況下，恰當(dāng)?shù)?IC 分區(qū)包括兩種類型的穩(wěn)壓器。

今天，幾乎所有應(yīng)用都對(duì)系統(tǒng)中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關(guān)工作電流的上升，用開關(guān)穩(wěn)壓器取代 LDO 變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因?yàn)閱蝹€(gè) IC 散發(fā)熱量的能力是有限的。此外，視所執(zhí)行的處理操作的不同而不同，實(shí)現(xiàn)最佳功耗需要對(duì)很多內(nèi)核處理軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。要以較高的時(shí)鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務(wù)不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應(yīng)的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)處理器電壓源需要諸如 I2C 這樣的串行端口來通報(bào)所發(fā)生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個(gè)同樣靈活和可編程的電源解決方案。

便攜式醫(yī)療和工業(yè)儀器中的電源管理問題

如同其它很多應(yīng)用的情況一樣，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其它很多應(yīng)用不同，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)。這種負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確工作，而且視設(shè)計(jì)和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護(hù)設(shè)備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時(shí)最大限度地延長工作時(shí)間，并確保無論何時(shí)，只要有效電源存在，就能可靠運(yùn)行。此外，功率值隨著功能和有關(guān)電壓軌數(shù)量的增加而增加。除了遙遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用所需維護(hù)要少、能承受極端的溫度變化以及受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)不會(huì)損壞等要求以外，工業(yè)便攜式設(shè)備與醫(yī)療設(shè)備有很多相同的要求。

總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
? 集成降壓-升壓型穩(wěn)壓器
? 在功耗與多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器及 LDO 的高集成度之間權(quán)衡
? 集成動(dòng)態(tài) I2C 控制
? 工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和堅(jiān)固性要求
? 解決方案尺寸和占板面積

一個(gè)簡單的解決方案

過去的工業(yè) PMIC 沒有足夠的功率來應(yīng)對(duì)這些新式系統(tǒng)和微處理器。滿足上述電源管理 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO；以諸如降壓-升壓型穩(wěn)壓器等難以使用的功能構(gòu)件對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài) I2C 控制。此外，一個(gè)具有高開關(guān)頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。

LTC3589 － 面向新式處理器的大功率 PMIC

LTC?3589 是一個(gè)完整的電源管理解決方案，面向基于 ARM 的處理器和先進(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。該器件含有：3 個(gè)同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，分別用于內(nèi)核、存儲(chǔ)器和 SoC 軌；一個(gè)同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器，用于 2.5V 至 5V 的 I/O；3 個(gè) 250mA 的 LDO 穩(wěn)壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C 串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動(dòng)、輸出電壓值、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換率、工作模式以及狀態(tài)報(bào)告。以所希望的順序?qū)⒎€(wěn)壓器輸出連接到使能引腳或通過 I2C 端口，可對(duì)穩(wěn)壓器啟動(dòng)排序。通過一個(gè)按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口，可控制系統(tǒng)的加電、斷電及復(fù)位功能。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個(gè)使能序列之前確保一個(gè)干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如存儲(chǔ)器，當(dāng)其必須在停機(jī)模式中保持運(yùn)行時(shí))。LTC3589 以 8 個(gè)獨(dú)立軌、恰當(dāng)?shù)墓β手怠?dòng)態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其它特點(diǎn)包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號(hào)，該引腳同時(shí)在多達(dá) 4 個(gè)軌上、于設(shè)定的運(yùn)行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露焊盤 QFN 封裝。

圖 1：LTC3589 的簡化方框圖

高集成度 － 支持多個(gè)大功率軌

LTC3589 是一個(gè)面向便攜式微處理器和外部設(shè)備的完整電源管理解決方案。它總共提供 8 個(gè)電壓軌，以給處理器內(nèi)核、SDRAM、系統(tǒng)存儲(chǔ)器、PC 卡、始終保持接通的實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及 HDD 功能組件供電。提供這些電壓軌的是一個(gè)始終保持接通的低靜態(tài)電流 25mA LDO、一個(gè) 1.6A 和兩個(gè) 1A 降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè) 1.2A 降壓-升壓型穩(wěn)壓器以及 3 個(gè) 250mA 的低壓差線性穩(wěn)壓器。支持多個(gè)穩(wěn)壓器的是高度可配置的電源排序功能、動(dòng)態(tài)電壓轉(zhuǎn)換 DAC 輸出電壓控制、一個(gè)按鈕接口控制器、通過 I2C 接口的穩(wěn)壓器控制以及大量狀態(tài)報(bào)告和中斷輸出。

LTC3589 的內(nèi)部補(bǔ)償、恒定頻率電流模式降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器提供高達(dá) 1A、1A 和 1.6A 的電流。就每一個(gè)采用 I2C 命令寄存器的降壓型穩(wěn)壓器而言，降壓型穩(wěn)壓器 2.25MHz 或 1.125MHz 的開關(guān)頻率 (包括相位) 是獨(dú)立選擇的。加電默認(rèn)頻率是 2.25MHz，而且含有邊緣速率調(diào)整以降低 EMI。每個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器都有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的 DAC 輸入基準(zhǔn)和外部反饋引腳，以設(shè)置輸出電壓范圍。這些降壓型穩(wěn)壓器的 3 種工作模式 ── 脈沖跳躍模式、突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作或強(qiáng)制連續(xù)模式 ── 用 I2C 接口設(shè)定。在脈沖跳躍模式時(shí)，穩(wěn)壓器會(huì)支持 100% 占空比。突發(fā)模式工作在低輸出負(fù)載時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)最高效率。除了電壓輸出設(shè)定點(diǎn)之間的最佳動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換控制以外，強(qiáng)制連續(xù)模式還在輕負(fù)載時(shí)最大限度地降低了輸出電壓紋波。

單電感器、4 開關(guān)降壓-升壓型 DC/DC 電壓模式轉(zhuǎn)換器從 2.5V 至 5V 電壓產(chǎn)生一個(gè)用戶可編程的輸出電壓軌。該降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器利用專有開關(guān)算法，以高于、低于或等于所需輸出軌的輸入電壓保持高效率和低噪聲工作。降壓-升壓誤差放大器采用一個(gè)固定的 0.8V 基準(zhǔn)，而且輸出電壓通過一個(gè)外部電阻器分壓器設(shè)定。突發(fā)模式工作通過 I2C 控制寄存器啟動(dòng)。就降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器而言，無需外部補(bǔ)償組件。

動(dòng)態(tài)電壓軌控制和其它 I2C 控制的功能

LTC3589 具有高端便攜式應(yīng)用處理器所需的 I2C 控制功能、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) (Dynamic Voltage Scaling) 和可選電壓轉(zhuǎn)換設(shè)置。為了使該 IC 的轉(zhuǎn)換 DAC 基準(zhǔn)能夠工作，3 個(gè) LTC3589 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器 LDO2 具有可編程 DAC 基準(zhǔn)輸入。每個(gè) DAC 在 0.3625V 至 0.75V 范圍內(nèi)都是可按照 12.5mV 步進(jìn)編程的：

R1 和 R2 組成反饋電阻器分壓器，以設(shè)置穩(wěn)壓器的輸出電壓，參見圖 2 和圖 3 以獲得詳細(xì)信息。0.3625 是進(jìn)入誤差放大器的 5 位 DAC 基準(zhǔn)的最小值。0.0125V 是 DAC LSB 步進(jìn)大小。BxDTVx 是存儲(chǔ)在 I2C 寄存器中的二進(jìn)制代碼 (十進(jìn)位的 0 到 31)。

圖 2：LTC3589 LDO 穩(wěn)壓器應(yīng)用電路

圖 3：LTC3589 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用電路

也可以命令 DAC 基準(zhǔn)以 4 個(gè)可選轉(zhuǎn)換率之一、獨(dú)立地在兩個(gè)電壓之間轉(zhuǎn)換。每個(gè) DAC 都有兩個(gè)獨(dú)立的輸出電壓寄存器以及電壓寄存器選擇、轉(zhuǎn)換率和啟動(dòng)控制。不必為改變 DAC 輸出而啟動(dòng)這些穩(wěn)壓器。

圖 4 顯示降壓型穩(wěn)壓器 1、2、3 和 LDO2 以 4 種可能的轉(zhuǎn)換率在 0.8V 和 1.2V 之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換由 VSTB 引腳 (灰色) 啟動(dòng)。這些值是 8 個(gè)單獨(dú)的 DAC 代碼。

圖 4：LTC3589 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換

通用 I2C 串行端口用來控制穩(wěn)壓器啟動(dòng)、輸出電壓值、工作模式和狀態(tài)報(bào)告。LTC3589 上的 I2C 串行端口含有 13 個(gè)用來控制每個(gè)穩(wěn)壓器的命令寄存器、一個(gè)用來監(jiān)視每個(gè)穩(wěn)壓器電源良好狀態(tài)的只讀寄存器、一個(gè)用來讀取 IRQ 事件原因的只讀寄存器和一個(gè)清除 IRQ 命令寄存器。LTC3589 I2C 端口支持對(duì)任何寄存器的隨機(jī)尋址，而且可以利用多種 START 順序、按照任何順序?qū)懠拇嫫?。所有寄存器都可以回讀，以驗(yàn)證軟件和硬件的完整性。

結(jié)論

通過取代分立式電源 IC 組件或傳統(tǒng)的、過度集成的大型 PMIC (即具有音頻、編譯碼器、觸摸屏接口等)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以用新一代集成了關(guān)鍵電源管理功能的緊湊型 PMIC、以更小和更簡單的解決方案實(shí)現(xiàn)全新的性能水平。今天的高性能處理器一般有一套獨(dú)特的電源要求，包括多個(gè)大電流和低噪聲軌、可編程排序和動(dòng)態(tài) I2C 調(diào)節(jié)。這些高端處理器最初是為手持式應(yīng)用而開發(fā)的，但是現(xiàn)在正用于工業(yè)和醫(yī)療市場中的嵌入式系統(tǒng)。飛思卡爾、邁威爾、三星和其它半導(dǎo)體廠商提供的新型處理器的優(yōu)勢是節(jié)省功率和高性能，而凌力爾特公司提供的 LTC3589 PMIC 這類新產(chǎn)品使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠在日益擴(kuò)大的應(yīng)用領(lǐng)域充分利用這些新型處理器的全部優(yōu)勢。