便携式设备的供电方案在成本、尺寸和性能之间找到新的平衡

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智能手机、平板电脑等移动设备的电源供给系统设计又有了进一步的革新。消费者的需求是更高的性能——更清晰图像、更快的下载速度,以及其他更吸引人的特性。这将提升处理器的负载,而同时消费者也要求延长电池的运行时间。

 

正是这些互相冲突的需求引导着便携式设备电源电路的不断创新。本文描述了其中一种创新:实现性能、尺寸、效率、散热四者平衡的新移动电源电路设计。

 

离散式解决方案的缺陷

为了解释这一电源设计的最新方法,需要追溯手机等移动设备的电源系统设计史。这段历史表明设计师始终致力于实现电源功能集成的内在平衡。

典型的基于ARM 移动设备的复杂电力需求示意图

图 1:典型的基于ARM 移动设备的复杂电力需求示意图

图 1 展示了使用ARM 处理器的便携式移动设备的典型电源设计图:

· 锂电池充电电路

· 三个或四个独立直流-直流转换器,为CPU 内核、RAM 和闪存供电

· 若干个低压差线性稳压器,为外围设备和输入/输出端供电

· 直流-直流升压转换器,为显示屏背光LED 和音频放大器供电

 

对于早期的手机,设计师会挑选独立的调节器来满足每一个部件的供电需求——这是纯粹的离散解决方案。这种方法十分灵活,但很明显,使用多个离散组件需要大面积电路板,材料成本较高,在能耗方面却效率低下。此外,电路板上组装的组件越多,生产时故障率就越高。

 

因此,设计师们很快发现,在单一芯片上集成多个开关电源和线性调节器能够节省电路板空间,该设备被称为PMIC(电源管理芯片)或PMU(电源管理单元)。第一代设备就是简单地将多个调节器装入一个芯片,结构相对粗糙(见图2)。

 

这种方法距离今天的PMIC 概念依旧很远。举个例子说,当时每个调节器仍有自己的输入、输出和使能端,所以芯片内外连接的拓扑结构依旧十分复杂。此外,这种设备没有电源管理和维护功能,也几乎没有数字接口。

第一代PMIC 只是简单地将多个调节器装入单个芯片或封装。

Source: www.aivaka.com/PMIC_modules.html

图 2:第一代PMIC 只是简单地将多个调节器装入单个芯片或封装。

 

这样的构造不足以应付便携式设备越来越多的功能需求和越来越复杂的电源要求。同时,这些附加功能也催生了新的电源节能措施,如动态电压调整。

 

因此,PMIC 厂商已开发出更智能化的新设备,能够通过多个输出管理电源的传输(参见图3)。这一代PMIC 的典型特性包括:

· I2C 等数字接口能够控制芯片上的每个调节器,例如配置、打开和关闭,并提供维护功能。

· 监测功能,如监测电池和晶片的温度并实行保护措施。

· 低噪声LDO 及高频开关调节器。

· 系统负载、电池、适配器三者之间流畅切换的电源路径。

PMIC 电路原理图(ams AS3711)

图 3:PMIC 电路原理图(ams AS3711)

另外,现代处理器要求精确配置启动序列,通过每个调节器对应一个引脚是无法实现的,因为这需要PMIC 具备非常高的针数,而这可能导致所有尺寸和布局上的缺陷。

 

这 意味着PMIC 必须实现预编程的电源启动序列,通常从OTP 存储器开始执行。电源启动以后,设备可以通过I2C 接口正常进行控制。每个处理器都需定制自己的电源启动序列。经验丰富的PMIC 供应商能够为任何支持的处理器提供电源启动序列。事实上,处理器供应商把处理器和特定的PMIC(由第三方提供,如ams)放在一起进行销售已是十分常见 的做法。

 

下一个问题:调节温度

PMIC 的演变使其成为集功率调节、电源启动序列、监测和保护功能于一体的设备。

 

然后有了苹果公司的iPad,一切又变了。处理器突然变得复杂起来,虽然单核和双核设备仍然存在,但现在的移动设备已经使用四核和八核处理器。

 

这 意味着内核电源的性能变得越来越重要,但同时也更难以管理。处理器的每个核都可以在一秒内因处理器负载的升降而多次启动或关闭。这就要求电源电路从轻负荷 到重负荷实现瞬态响应,在各种运作模式下进行动态电压缩放以节约电能。同时,内核电流在不同设备上有很大的差别(见图4)。

 

移动设备对内核电流的要求各不相同

图 4:移动设备对内核电流的要求各不相同

 

在这些数值中,浮现出一个问题:是否要将高电流MOSFET 集成到PMIC 中?如果集成在一起,可以节省电路板空间;但集成的高电流MOSFET 会占据更大晶圆面积,而且内部MOSFET 相比分立器件更难散热。

 

向 多核处理器的发展带来了更多需要考虑的地方。现在,一个电源电路必须比从前更灵活、适用于更宽范围。在一个典型的四核ARM 处理器中,四个内核可能在满负载的时候同时工作,比如游戏应用或电影播放时;同样地,当设备处于待机状态时,所有四个内核也可以空闲下来。典型的使用顺序 如图5 所示。

中央处理器随时间的使用变化,设备使用四核处理器的典型应用范例

图 5:中央处理器随时间的使用变化,设备使用四核处理器的典型应用范例。资料来源:

www.nvidia.com/content/PDF/tegra_white_papers/tegra-whitepaper-0911a.pdf

 

在典型应用中,通过内核的电压波动很大,所以PMIC 必须做出超高速且精确的瞬变响应。如果MOSFET 被集成到PMIC 上,实现这一目标将变得更加困难。

 

ams 在设计AS3721 PMIC 时意识到了这一点:它需要一颗外置的功率模块——AS3729 MOSFET,可以很容易连接起来。事实上,每一个PMIC 制造商现在都不得不像ams 一样面对在成本、尺寸与灵活性、电源性能、散热性能之间实现平衡的需求。

 

AS3721 PMIC 集成了若干个直流-直流调节器、LDO 以及一整套电源管理功能。对于给处理器内核的供电,AS3721 又像是被配置为一个能搭配多个外置功率模块的灵活的控制器。

 

AS3729 功率模块包括两相2.5A 电源,可相互搭配获得5A 的输出电流(见图6)。多个AS3729 可以平行组合,支持高达20A 的电源需求。实际上,每个AS3729 都可用于单相或双相配置,根据不同的空间和高度的限制,可非常灵活的支持不同的应用。

 

AS3729 具备温度及电流监测功能。至关重要的一点是它只需要一个引脚就同时做到功率模块控制及电流监控,带来优越的热管理性能,因为控制器和功率模块即使在一个紧 凑的电路板布局上也可以相隔较远距离。通过热组件的物理分离,将处理器及功率模块摆放在一边,PMIC 分开摆放在另一边,有助于缩小尺寸,并降低电路板上发热区域的热度。

 

AS3721 / AS3729 的组合使瞬态响应发挥到极致:在较大的瞬间负载变化时仅有极小的30mV 过冲。达到高效率的同时支持全速运行和待机模式之间的连续切换,甚至延长大显示屏平板电脑的电池运行时间。

连接图显示用两个AS3729 MOSFET 传送10A 电流的基本配置

图 6:连接图显示用两个AS3729 MOSFET 传送10A 电流的基本配置,使用2.5A 四相电流。新便携式设备的新架构消费者已经爱上了多功能便携式设备。他们希望能够在平板电脑或手机上使用多媒体、玩游戏、上网、规划他们的生活。这使得移 动设备的电源需求比以往更复杂、要求也更高,促使电源半导体制造商不得不重新在尺寸、成本和性能三者之间作出权衡。

 

新架构使用灵活的离散功率模块,可放置于远离PMIC 的位置,实现更高能效和热效率的设计,同时支持快速瞬态反应以应对这些热门设备不断变化的负载。