理想的可携式系统电源管理策略

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1、理想的可攜式系統電源管理策略田松可攜式電子產品的體積越來越小巧，但功能卻越來越多，因此系統設計工程師必須採用更高度整合的解決方案。本文從可攜式產品的需求分析，功率轉換、發光二極體驅動器、聲頻系統等重耍的架構，提供能在高整合度與高靈活性之間取得適當的平衡的電源管理策略。可攜式電子產品的架構從範源管理的角度，可攜式範子產品的架構可用下圖表示：功率磁降壓升壓開關電容穗壓蛊電感式開關穏壓器射频/功率放大器」聲頻磁大器/類比數位轉換器數位訊號處理器/徵控制器TFT-LCD/OLED圖像處理背光發光二極體裝箭光發光二極體大部分可攜式電子產品都採用錐電池爲系統供電。以下是電源管理在整個

2、系統中所發揮的作用：電池管理：充電、保護、剩餘電量測量。功率轉換:利用電池的供電爲負載提供適當的電壓及電流。負載管理：提高用電效率，充分發揮能源效益。■TOP功率轉換可攜式電子產品的負載一般可分爲兩大類：一種是屬於數位子系統（核卜及輸入/輸山）的負載，而另「種則是訊號路徑（類比或射頻訊號）的負載。由於這兩類負載需要的竜壓/帝流都各不相同,因此系統的帝源供應需要進行不同的功率轉換,以便爲不同負載饋送不同的帝壓/電流。可以提供「功率轉換J功能的晶片基本上採用三種不同的功率轉換技術，因此功率轉換器基本上也分爲三大類，即低壓降稳壓器、電感式直流流轉換器及開關電容器直流値流轉換器。

3、圖1所介紹的便是這三種不同的電路佈局。FVlNVOUTVenGNDOLDV

4、NcuImFC1-Vout节==10uFIL1-UFIN7CInductiveBuckSwitchedCapBuck數位了•系統及訊號路徑各有不同的要求、我們必須分別予以若慮，並作出適當的取捨、才能使系統充分發揮效能。圖表1列出有關的重要參數。供fE類型電壓範圍距流範圍效能要求採用的電路佈局數位核心1伏特(V)至2.5伏特高達1A，ImA以下的竜流有助提高能源效益，因此也極爲重要負載宵態反應，高效率直流/喧流降壓穩壓器(西感或開關電容器)訊號路徑2.5伏特至3.3伏特不超過500mA雜訊，電源供應

5、抑制率(PSRR)低壓降穩壓器圖表I■専爲數位核心及輸入瀚出而設的功率轉換器處理器核心及數位輸入瀚出等數位子系統耗用較多的電力，而且新一代的數位子系統需要的供電電壓(Vcc)遠比輸入的電源供應低，有時甚至低至1伏特。此外，處理器必須長時間開啓，即使處於備用狀態也不能關閉。先進的電感式同步降壓穩壓器可以滿足數位子系統負載的這些特性。'亀感式直流/I苴流轉換器採用半橋接式輸出級，後接低通濾波器。這種轉換器的主要優點是無論輸出/輸入電壓比(VOUT/VIN)有多人，都能以極高的效率輸出稳定電壓。但這種技術既有優點，也有缺點，而且人部分問題都源自電感器，因此選擇外接元件時需要仔細

6、考慮相關的因素。例如，電感値(即電感器體積)越小，漣波電流便越人，雖然要使系統體積小巧，便必須採用極小巧的元件，但系統設計工程師必須明白魚與熊掌不能同時兼得。捉高開關頻率的好處是系統可以採用較小型的電感器，但開關頻率越高，開關損耗也就越人，轉換效率也會相對下降，因爲開啓及關閉金屬氧化半導體場效電品騁(MOSFET)時會出現時間上的延遲，而且以更高速度爲閘極電容器充電會耗用更多電能。場效應電品鵰的閘極及源極之間存在寄生電容器，電容器進行「充電」時，場效應電晶體無法達到飽和的狀態。［汲極源極電阻(RDS-ON)並非處於最低點。］生產半橋接式高整合度直流/直流轉換器的廠商必須將

7、其中的影響減至最低。對於需要預先確定Di/Dl雜訊頻率的系統而言，設有脈衝寬度調變(PWM)模式的固定頻率［苴流/［苴流轉換器是理想的電源管理解決方案。但脈衝寬度調變的缺點是需要較高的作業電流的支援。若負載只有「全速」或關閉兩種作業模式，這個缺點甚至可以忽略。但對於即使處於備用狀態仍然需姿獲得電力的數位處理器或揮發性記憶體來說，便需要採用可以隨時轉換到脈衝跨越或脈衝頻率調變(PFM)模式的晶片。以脈衝頻率調變模式來說，只有在輸出電壓低於比較器的臨界點時，半橋接品片的頂曆場效應電品體才會啓動。與此同時，P通道場效應電品體隨即啓動，而輸出濾波器也會重新充電。這個作業模式會持續

8、下去，值至檢波器顯示輸出電流超越某一臨界點爲止。由這個時候開始，系統便會改用脈衝寬度調變(PWM)模式。脈衝頻率調變模式有兩人優點：由於許多內部電路已關閉，因此I苴流値流轉換器的作業'亀流會人幅下降；此外，內部電路在有需要時(而非在毎一時段的開始)才啓動或關閉，有助將輸出級的開關損耗減至最低。一如所有電源管理系統'上述設計也有本身的缺點。以脈衝頻率調變模式來說'由於頻率並非固定'因此Di/IM雜訊便變得不可預測。但經過最佳化的脈衝頻率調變模式可以以預定的固定頻率或相近頻率進行開關作業。其輸出的漣波極少，金部由輸出觅容器充觅/放