面向便携式应用的高集成度电源管理单元

本文介绍了电源管理芯片的新型封装技术和具有多种内置电源管理与通信接口的高集成度电源管理解决方案，它让电源设计工程师避免采用多种单一功能的电源管理器件，从而不仅加速设计进程，而且进一步缩短投产的时间。

越来越多的便携式设备均采用诸如彩色显示器、立体声音频与连接解决方案等复杂的功能。其中一些示例包括：GPRS、WLAN 与蓝牙以及视频与相机功能等。但消费者并不想使用既大又笨重的设备。相反，他们要求小巧、轻便、用户界面友好的设计，并需要较长的电池使用寿命。这种消费偏好使电气设计工程师陷入了进退两难的局面。其原因是，尽管需要为系统提供更多电量，并且需要生成更多电压轨，但为当今复杂的便携式设备设计电源时可用的空间及电池容量却更小。

为了达到这些技术要求，就需要集成电路提供快速、准确的电荷，以充分利用电池的能量物尽其用；实现更高的功率转换效率及更低功耗，以节约电池能量；并实现更高的功能集成度及更少的组件数，以适应缩小的板级空间。以前，使用一些线性稳压器便足以设计出一款简单的电源。但是，在空间极其有限的设计中运行系统应控制在尽可能低的能量预算范围内，并要求其释放的热量达到最低，否则可能会导致散热问题，这就要求您必须使用更复杂、更低功耗的开关模式DC/DC转换器。它们不仅能够显著延长电池使用寿命，而且还能最大限度地缩小板级空间。但是，设计工程师可能会面临电源轨(power rails)以及更复杂设计等方面的挑战，前者需要进行排序，而后者则要求选择正确的组件，以实现稳定的开关电源。

图1：采用散热焊盘的四方扁平无引线(QFN)封装，可优化功耗设计。

新型封装简化复杂的设计

如今，新型的小外型封装技术、低功耗处理技术以及先进的电源管理方法均可简化复杂的设计。与以前的引线式封装技术相比，最近已在市场中确立地位的一种领先封装技术是 QFN(无引线四方扁平)封装。这种封装类型是更昂贵的 WLCSP或晶圆级芯片尺寸封装的替代技术。WLCSP可将封装外形减小为集成电路的大小，但在设计中需要采用难以制造的超微细球栅阵列封装。另一方面，QFN封装因其小尺寸、低成本以及较高的生产良率而独具特色。这种封装工艺具有高速与电源管理电路的某些优异的机械特性，包括改进的同平面性与散热性。由于QFN封装不像传统的SOIC与TSSOP封装那样具有翅形引线--这些引线有时可形成天线，会在高频应用中产生噪声--因此其电气性能比传统的引线式封装更优异。此外，它们还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘具有直接散热通道，用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，并且PCB中的散热通孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。图1显示了这种采用PCB焊接的外露散热焊盘的QFN封装。

采用超小型电路结构的新型晶圆处理技术将低功耗0.18微米CMOS技术与高电压、高功率 LDMOS功能进行了完美结合。此外，它还为在芯片上集成全面的电源系统奠定了基础。这些系统集成了所有必需的电源组件，如将电流传递给便携式系统的功率管，以及低功耗内存、微控制器与通信接口子系统。这就使得集成的电源管理 IC非常“智能”并且极其灵活。输入端的高电压功能允许通过接口直接连接到便携式系统或车用电池环境中经济高效的、基于变压器的 AC/DC 适配器，而不必添加附加保护电路，这样既会降低成本、又可节约板级空间。此外，更小的处理结构还意味着缩小了半导体裸片尺寸，进而直接降低了 IC 成本，同时增加了各种功能，减少了总体组件数。

高度集成的电源管理方案

诸如 I2C 总线等通信接口的增加也为系统带来了更大的电源灵活性。主处理器能够以数字化方式控制其电源，并根据由负载情况确定的系统要求来动态调节电源电压。这可以提高功效并节约电池能量。图3中的示例说明了此类灵活、集成的电源管理IC，可与支持手持通信及计算系统的应用处理器协同使用。整个解决方案仅采用了一个用于充电的集成电路、四个高效功率转换通道以及一个支持简单电源管理控制的、易于使用的通信接口。

图2A：PFM/PWM DC/DC核心电源电路的高效率分析图。

图2B：PFM/PWM DC/DC核心电源电路的高效率分析图。

在给定Vd时，联解方程3、4、5可以得到Vf。如前所述，结温是考虑器件热完整性的真正标准，因此应该使用结点到环境的热阻Rja获得Tj表达式，它是许多参数的函数。

该器件包含一个全自动的单节锂离子电池充电器，可以通过墙上AC/DC适配器、计算机或其它外设的USB端口进行充电。适配器引脚(AC)上的额定输入电压高达20V，允许使用简单、非稳压墙上电源(其可采用低成本的变压器与桥接整流器)，从而进一步降低了总体系统成本。所有必需的充电与开关晶体管(控制USB电源与AC/DC 墙上插座之间的输入电源管理)均集成在芯片上，从而大幅度简化了充电器电路。而且，系统还提供了全套电池管理功能，以便确保通过快速、准确与安全的电池充电方式获得尽可能长的电池使用寿命。

为了提供400 mA的核心电源以及1A的主系统电源，电源管理IC全面集成了两个采用集成FET的同步DC/DC转换器，以实现最佳的效率及最少的外部组件数。因此，每个通道只需一个电感器与输出电容器，并且设计工程师不必担心需要使用复杂的补偿网络来提供开关电源。按照使用产品说明书中建议的电感器规格，可以轻松选择组件。在大于400mA的输出电流下，基于感应器的开关DC/DC转换器通常可提供最低功耗及最经济高效的解决方案。类似额定电流的线性稳压器要求使用较大的散热片，因为在3.6 V锂离子电池输入端提供1.3 V内核电压时，较大的输入到输出端电压差与输出电流会导致过多的功耗。最好选择大于1 MHz的开关频率，因为它们允许使用较小的电感器，并可限制对音频频带的干扰。此外，它们的频率足够低，不会干扰无线射频频带。由于其功率转换效率很高，因此散发的热量有限，从而不需要笨重的散热设备。为了进一步降低功耗，先进的 DC/DC 稳压器还采用了自动 PFM/PWM 模式转换，最大限度地提高广泛负载范围内的转换效率。图2显示了效率分析图，从中可知负载范围为 100μA到 500mA时的效率大于80%。

图3：具有与应用处理器相连接口的集成电源管理IC。

在低负载电流下，转换器将进入脉冲频率调制(PFM)模式，而30mA范围以上的高负载电流则由脉宽调制(PWM)控制方案提供支持。而且大多数处理器系统均要求特定的I/O上电顺序(power-on sequencing)与处理器内核电压才能正常运行。传统的解决方案可能会通过分立组件来建立功率级，并且必须添加甚至更多的电路来实施上电顺序、输出电压编程以及故障与短路保护等功能。相反，引脚 PS_SEQ、DEFCORE以及DEFMAIN均允许简单定义上电与断电定序以及主电源的默认上电状态与内核电压。通过符合标准与快速模式I2C规范的集成串行接口，我们可以进一步提高设计灵活性，从而允许传输频率高达400kHz。该接口能够根据功率转换与电池充电的实时应用要求，将大多数功能设定成新的值。为了给诸如快闪及其它存储器等辅助的低电压系统组件供电，该解决方案还采用了两个具有低压降与小型陶瓷输出电容器的200mA线性电流调节器，以获得最低的成本。

图3所示高度集成方案中使用的IC数量最少，并且实现了最小型的封装，同时保留了良好的低功耗特性。通过集成尽可能多的晶体管与二极管，我们能够最大限度地减少外部组件数。诸如电感器与电容器等无源组件并非必不可少，可以通过使用高开关频率来最大限度地降低其尺寸。该总体解决方案非常小巧，我们可根据产品说明书中针对各组件建议的指示值来轻松构建。与DC/DC控制器解决方案相比，全面集成的DC/DC转换器可进行内部补偿，因而无需设计外部网络并测试其稳定性。这也意味着设计工程师不必选择外部晶体管，也不需要使用价格昂贵且难懂的设计软件来分析补偿与稳定条件。图3中的方法在系统中提供了很高的设计灵活性，由于其具有可编程性，因而可对电源进行数字控制，并根据系统负载优化功耗设计。使用PFM模式与PWM模式可以在整个负载范围内达到最高的效率，并且其内置动态电压定位功能使得电源能够对瞬态负载更快地做出响应。低导通电阻(RDS,on) 晶体管的铜互连技术可降低功率损耗，并最大限度地降低功耗，同时低功耗处理与设计技术可产生极低的静态电流，以进一步延长电池使用寿命。

本文小结

展望未来，我们有望为诸如数码相机与无线智能电话等空间非常有限的便携式应用推出具有更高集成度的器件，这些应用具有更多数量的电源转换器、精确的动态电压缩放功能以及诸如SIM卡接口、LCD显示器以及白光LED背光驱动器等功能。

在当今的便携式产品设计中，设计工程师面临的最大挑战之一就是使用小型电池，并在有限的预算范围内为具有丰富功能、颇具吸引力的小型设备供电。出色的电池管理可实现最佳的充电性能，并使电池发挥最大作用，这对最大限度地延长电池使用寿命至关重要；同时，高效的功率转换与低功耗特性对节约电池能量来说也是非常关键的。这意味着使用多种单一功能的电源管理器件通常并不可行，设计人员必须采用具有多种内置电源管理与通信接口的高集成度器件。在由消费者为主导的市场中--消费者希望在越来越短的周期内推出采用新技术的设计，这不仅能够加速设计进程，而且还可进一步缩短投产的时间。

作者简介

Patrick Heyer 先后毕业于德国斯图加特大学(University of Stuttgart, Germany) 以及美国得克萨斯州达拉斯的南方卫理公会大学(Southern Methodist University)，分别获电子工程硕士学位及 MBA 学位。在模拟半导体方面，Patrick 拥有10年的丰富经验，现任便携式电源管理市场销售部经理。Patrick的通信地址：Texas Instruments, 12500 TI Blvd., Dallas, Texas 75243；邮件：patrick-heyer@ti.com。