通往最佳电源管理架构之路

现代便携式装置电源管理解决方案的开发商正面临各种挑战，不仅要让设计更精巧、更便宜与更省电，还要有更大灵活性。一个平台只须要略为修改就能适应不同市场的各种终端产品。本文以一套便携式导航系统为例介绍三种不同的电源管理解决方案概念，同时说明这些概念会随着主要需求不同而各有优点与用途。这三种概念是完全集成设计 (full integration)、热最佳化局部集成设计 (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立设计 (layout-optimized discrete)，至于个别环境的最佳架构则必须视整体的技术、应用和商业需求而定。

便携式导航系统又称为个人导航辅助系统 (Personal Navigation Assistants)，是消费电子市场成长最快的领域之一，可满足使用者基本的方向感与导航要求。利用便携式导航系统提供定位服务 (LBS) 现仍在初步发展阶段，但此领域将自2010起快速成长，尤其是欧洲新部署的伽利略 (Galileo) 商业系统必然会带动进一步发展。便携式导航功能还可扩大应用到其它的便携式使用者装置，这正是许多便携式产品都必须面对电源架构挑战的原因。

本文重点放在售后零件市场的典型商用便携式导航系统。图1是这类系统的框图。



系统的GPS卫星接收器会将原始数据提供给处理器，处理器则根据数字地图信息(通常透过储存卡提供)比对这些数据，再以图形和数字将结果显示在6到12公分的大型TFT屏幕。系统通常还会提供USB接口以便数据交换使用，此接口有时还能做为充电电池的电源。控制接口通常包含触控屏幕和某些按键，电源供应则由一颗锂离子电池和汽车电路系统的联机提供。充电电池能让消费者连续使用装置数小时，例如行人可用它寻找特定地点。户外专用装置的要求则有所不同，譬如登山者或摩托车骑士就需靠着电池在外面使用一整天。系统还会透过集成式喇叭发出语音导航指示。多数制造商都会使用单一技术平台，然后增加适当功能以满足不同市场需求。

电源管理要求

此处所述的应用环境基本上决定了电源管理系统设计的主要需求；除了电压与电流外，它还要如图1所示提供不同消费者所需的功能。系统还须采取措施监控充电电池、确保充电安全和控制屏幕亮度；另外，由于可用空间相当有限，解决方案必须很精巧。仪表板位置须能减少热量产生，因为直接曝晒在夏日阳光下会使周围温度升高。接收机灵敏度是很重要的因素，它会对使用者造成直接影响。整个系统因此只能产生很少的电磁辐射，以避免内部干扰造成接收机的信噪比下降。一套适用不同市场的共通平台架构还需要最大灵活性，以便支持硬件与软件修改与其它附加功能。

电源管理架构的主要需求可归纳如下：

• 设计精巧，零件数目很少；
• 电磁干扰很小；
• 灵活性设计；
• 电源效率很高，热量产生很少。

如何才能让最佳架构设计满足这些要求？基本上有三种不同方法，它们各有其重点。本文将利用市场上买得到的组件详细说明这些方法，然后讨论它们的优缺点。

完全集成设计

一种显而易见的解决方案是把所有的有源 电源管理功能集成至一颗芯片。图2就以德州仪器 (TI) 的TPS65820为例说明这种方式。这款芯片不仅有两个降压转换器提供电源给处理器芯核、程序内存和闪存，还包含多组线性稳压器做为储存卡的电源供应以及卫星接收器和音频编译码器的低噪声电源。它还集成电池充电电路以及屏幕背光照明的升压转换器，使一颗芯片就能提供所有的电源管理功能。



TPS65820采用7×7mm QFN封装。由于电源转换器的开关频率很高，故能使用很小的电感与电容。此处的设计还将芯片的最大高度列入考虑，因此电路板的所有有源与无源元件高度都小于1毫米。  



图3 完全集成式设计的元件位置安排 (芯片为红色，电感黄色，电容蓝色，电阻棕色，二极管绿色)，电路板面积约170平方毫米  

整个模块的设计布局相当精简。这可以是项优点，只不过它需要接近正方形的电路板空间，如果布局太不规则就可能发生问题。完全集成式解决方案的另一缺点是缺乏灵活性，很难同时达到不同市场的要求，譬如充电器对低端产品可能过于庞大，或者驱动电路无法满足高端系统的大型屏幕背光照明需求。完全集成式系统还可能造成应用范围受限，例如只能用在低成本而高产量的市场。  

热最佳化局部集成设计

这种设计较注重灵活性，它会把平台所有机种的相同电源供应全部结合至一颗芯片。图4以TI的TPS65050为例说明这种做法，它会提供电源给处理器芯核、外部内存电路、卫星接收器的储存卡和模拟电路以及音频编译码器。  



图4 利用TPS65050局部集成处理器相关电源，并以BQ24032A做为充电组件，TPS61061担任白光LED驱动器

屏幕背光照明的白光LED电源是由分立组件提供，这能让同一平台的不同机种使用不同的屏幕。例如只要以TPS60230之类采用电荷泵技术的解决方案取代分立式LED驱动组件TPS61061，就能使用LED并联 (而非串联) 的屏幕。  

使用独立充电组件BQ24032A让「热最佳化局部集成」更为明显。2Ah以上高容量电池的充电电流最高可达到1.5A。由于应用装置在耗尽电力的电池透过此方式充电时仍须继续工作，因此总电流会等于操作电流与充电电流之和，这将使充电组件因为外部电源与电池之间的电压降而出现庞大功耗。「热最佳化局部集成」则将这项功能移到采用散热最佳化封装的独立芯片，这样就算出现很大的耗电也只会造成充电电流下降，而不会像完全集成式解决方案一样导致过热关机，或是因为降压转换器 (尤其是LDO) 的功耗而产生更多热量。另外，只要使用独立的充电组件，设计人员即可调整这项功能以适应同一平台的不同机种，例如采用大型或小型电池，或者选择是否提供USB充电功能。  



图5 热最佳化局部集成设计的元件位置安排。颜色标示方式与图3相同，电路板面积约为165平方毫米。热量主要来自BQ24032A和TPS65050，它们在电路板的位置可以尽量隔开  

这种设计不会浪费电路板空间，解决方案的大小与完全集成式设计差不多。元件的位置则更有灵活性，这对形状不规则的电路板很有帮助。设计人员还能将温度很高的组件放在适当位置，并确保这些容易发烫的元件均匀分布在电路板上。  

布局最佳化的分立解决方案  

如果从完全集成到热最佳化局部集成算是一种局部分解，我们当然能更进一步创造出完全由分立元件构成的解决方案。这类解决方案必然会有最多的元件，这不仅使元件清单和库存管理更复杂，通常也会是最昂贵的架构。但尽管如此，这类解决方案仍有许多值得采用的理由。  



我们的便携式导航系统将以前面提到的BQ24032做为电池充电稳压器，以TPS61061做为屏幕背光照明电源，处理器相关电源则由两个降压转换器产生 (TPS62300)。分立解决方案必须采用晶圆芯片级封装 (WCSP) 之类的先进微型封装技术，才能将设计缩小至完全集成或热最佳化局部集成解决方案的水平。由于封装的体积和寄生阻抗都很小，这类设计可将开关频率提高至3MHz以便使用小型芯片线圈和输出电容。这类解决方案还能采用芯片级封装的线性稳压器，例如此处所用的TI TPS799xx组件。  



图7 分立解决方案的元件位置安排。颜色标示方式与图3相同，所需电路板面积约为175平方毫米。设计的形状会随着电路板形状而改变  

只要采用最合适的微型封装组件，这类设计就能将电路板面积缩小到高度或完全集成式解决方案的水平。  

有两种理由可能促使设计人员选择分立解决方案。首先，许多电路板的形状很不规则，尤其使用电池的便携式产品最常遇到这种情形。它们有很多凹口来安装电池、控制组件、天线或屏幕。日益流行的平面模块则让电路板参差不齐，有时甚至无法使用高度集成的解决方案。随着电压转换器的开关频率达到2MHz以上，无缘元件的位置必须尽量靠近组件引脚以避免电路不稳定并降低电磁干扰。完全集成式解决方案对元件位置的限制很严苛，任何改变都会影响系统功能。这类 电源管理方块大都采用正方形或略似长方形的结构。

若采用分立解决方案，就算是很不规则的电路板也能实现功能完整的设计。使用分立设计的第二个理由是可将电磁干扰减至最小。导航系统的接收机灵敏度是非常重要的使用者考虑因素，必须在天线端提供良好的信噪比才能确保接收灵敏度。分立设计可以将潜在的噪声源与干扰源安排在距离天线较远的地方，同时将线性稳压器或电池充电器等较不重要的功能放到靠近天线的位置。除此之外，我们也更容易在设计发生问题时更换特别重要的元件，而不必从头修改整个设计。例如背光照明就是非常重要的功能，这是因为多数用来驱动白光LED的升压转换器都会泄漏电流，所以在某些情形下会产生电磁干扰。在完全集成式组件里，背光驱动器的电磁辐射是一项非常重要的特性，若发生问题就可能需要使用另一颗独立的驱动组件，而对产品成本造成不利的影响。  

未来展望  

本文重点放在个人导航辅助系统 (PNA) 这种目前最常见的便携式导航装置。我们现在将开始考虑每一种做法的未来发展性。举例来说，导航系统与便携式多媒体应用的集成不仅是在意料之中，而且很有必要。MP3播放机的集成不需额外的 电源管理组件，因此不用大幅修改平台即可将此功能加入导航系统。视频播放机的集成则完全不同，储存媒体(多半是硬盘)通常需要升降压转换器来产生操作电压。大型屏幕需要更多LED做为背光照明，故需更强大的电源转换器。如果高画质视频应用也在规划中，整个处理器电路有时就要彻底修改，因为它需要运算能力更强大的其它处理器单元，但这也会使总电流消耗大增。想在不使用汽车电源的情形下延长产品工作时间，电池的容量就必须增加。此时，整个系统比较像一台包含导航等扩充功能的便携式视频播放机。这些概念还能用于便携式游戏应用。热最佳化局部集成是这类汇聚系统 (convergent system) 的最佳解决方案，因为这种解决方案能将处理器相关功能的电源管理标准化，同时维持完整的外围设计灵活性。汇聚系统的完全集成芯片常遇到内建电源转换器不符实际需求的情形，热最佳化局部集成解决方案则能避免这类问题，进而将系统成本最佳化。

结语

本文介绍的三种方法都能在不影响电路板面积的情形下完成设计工作。完全集成式解决方案适合不需灵活性的高产量应用，分立解决方案则有助于实现困难电路板布局并达到严苛的电磁兼容性要求。热最佳化局部集成解决方案通常是前两种做法的折衷，特别适合必须支持不同市场的模块化设计。

特定环境下的最佳做法须视系统设计的主要需求而定。整体需求是由个别市场需要、技术可能性和商业环境等许多因素组合而成，因此各部门必须在概念阶段密切合作才能得到最好的结果。幸而TI等大型半导体厂商已能提供种类广泛的组件支持这些概念，并由受过电源管理技术专业训练的应用工程师提供协助。