为笔记本电脑选择电源管理IC

在笔记本电脑中，高效率的电源管理电路能够提供较长的电池寿命，而且只占用较小的电路板尺寸，同时还可以提供低噪声、低成本、极短的设计周期等优势。先进的模拟IC公司针对各种便携产品推出了众多电源管理IC，对于笔记本电脑设计者来说，首先需要考虑的是根据特定设计目标选择合适的产品。

如果把CPU看作笔记本电脑的大脑，遍布整个主板的电源则被视为心脏和血管 — 将能量输送到大脑及系统的其它部分。不同负载需要不同类型的电源，但共用同一输入电源，输入电压范围从7V直至20V。产生5V以及3.3V总线电源的电池充电器、主调节器，以及为图形芯片组、DDR内存、I/O控制器和CPU核供电的调节器都是典型的降压型开关调整器，如同步整流变换器。唯一具有不同拓扑结构的电源就是CCFL背光逆变器，位于面板组件。

Maxim作为业内领先的模拟IC供应商，为笔记本平台提供了数百种电源管理IC。电源管理方案的关键特性决定了电池工作寿命、系统性能、成本，这些特性包括控制架构、轻载模式、功率开关的选择等。除了这些关键特性外，保护电路在笔记本电脑中也非常重要。  



图1 笔记本电源管理IC提供不同的集成度：（a）分立控制器和驱动IC、外置开关管；（b）集成控制器和驱动器；（c）内置MOSFET开关的集成产品，用于4A以下的系统供电。
  
控制架构  

在笔记本电脑中，要求DC－DC转换器能够精确地调整其输出电压。电压调节通过反馈控制环路实现，该控制环路在每个开关周期将能量从输入源传递到输出负载。对负载变化的响应速度主要取决于控制方案。传统的固定频率PWM控制架构之所以应用广泛，主要有两个原因：可以选择开关频率以避开455kHz中频等噪声敏感区域，电感纹波电流保持相对稳定，从而简化了电路设计和输出纹波电压的估算。但是，开关操作所固有的延迟(负载瞬变与后续时钟之间的延时)也会降低系统响应。实际系统的环路带宽一般在开关频率的1/6和1/10之间，需要较大的去耦电容来满足严格的负载瞬态响应要求。

“滞回控制”结构的响应速度远远高于“固定频率控制”结构，因此成为一种非常流行的架构。不存在时钟，系统能够迅速响应负载变化，并且需要更少的输出储能电容。例如，Maxim专有的Quick-PWMTM控制架构，融合了固定频率控制和滞回控制架构的优点。这种架构的核心电路是快速、低抖动、可调节单稳态，设置高端MOSFET的导通时间。虽然没有固定频率时钟发生器，所采用的算法能够平衡电感电流，保证接近恒定的开关频率。

轻载模式  

提高轻载效率是延长笔记本电脑电池寿命的关键，虽然强制PWM模式可以维持相对恒定的开关频率，但却在空载使造成10mA至50mA的电池损耗，具体取决于开关频率和外部MOSFET。强制PWM模式非常适合低噪声、高负载瞬态响应的应用，而且能够为动态输出电压调节提供吸电流能力，在基于反激变压器或耦合电感的多输出电压设计中能够减少交叉调整问题。
  
为了使空载电池电流最小，在电感电流为零时关闭低边开关，并将关闭状态保持到输出电压跌落至设定点为止，这种架构随着负载电流的降低可以有效降低开关频率。启动轻载跳脉冲模式时，开关波形会出现较大的噪声，并且不同步，这是一种正常的工作模式，可提高轻载效率。  
跳脉冲模式下，低于20kHz的频率可能产生音频噪声。一些控制器能够将最低频率限制在25kHz，假如在最后28μs内没有开关操作，则开启超声跳脉冲模式。低边开关首先导通，以降低电感中的负电流，当电感电流达到设定的负电流门限时，启动开关周期。  

功率开关的选择  

完整的DC－DC转换器包括控制器、驱动器以及功率电路。可以分别设计这些基本单元，也可以将其集成在一起(图1)。图1a集成度最低，但为客户优化系统提供便利条件。输出电流可以通过选择合适的驱动器和MOSFET进行设置；缺点是需要复杂的电路布板和较高的系统成本。  
图1b将控制器和驱动器集成在一起，Maxim用于笔记本电脑的功率管理IC多数为这种架构。该架构允许用户设计不同级别的输出电流 (从几个安培的主电源到45A的核电源)，布板比较简单，系统成本也更低。  

对于小于4A输出电流的应用(DDR电源和一些GPU电源)，图1c所示内置开关电路更具成本优势。该系统通常能够工作在更高的开关频率，从而减少无源元件，如输出电感和输出电容的尺寸。如MAX1536降压调节器，其特点是内部集成PMOS高边开关以及内置NMOS同步整流器，并可工作在1.4MHz开关频率下，为负载提供3.6A的电流。同样重要的是，该器件封装在一个很小的28引脚5×5mm的薄型QFN封装内。
  
保护电路  

笔记本电源管理IC包含了所有典型保护电路：输入欠压关断、输出过压、输出欠压、电流限制、ESD保护、热关断等。一些最新推出的IC还具有一些先进功能，如输出功率监测及电感饱和保护等。