便携式应用处理器设计中的电源管理

美国国家半导体公司

当今便携式应用处理器的电源管理解决方案的集成度越来越高。总功耗、待机和深度睡眠的电流消耗会影响电池的大小、物料单(BOM)的成本和产品的认知度。

当设计便携式设备―如智能电话或PDA―的时候，系统设计工程师必须考虑许多电源的变量。随着它们消耗的功率越来越大，智能电话要求高度集成的电源管理解决方案，以便在尽可能最小的PCB面积中实现电池寿命最长的设计目标。

当今的应用处理器需要为内核、I/O、存储器和外部设备等等提供不同的电源域。例如，LP3971就是一种设计用来满足所有这些要求的电源管理单元(PMU)，它利用了3个高效率的降压转换器和6个低压差(LDO)调整器。

应用处理器需要多种电源电压，这些电压可以通过核心电源管理和系统的架构进行优化。LP3971具有由I2C控制的输出电压、工厂可配置的上电顺列和缺省的输出电压，可以满足范围广阔的系统要求。

本文重点讨论如何利用诸如LP3971之类的器件与降压型转换器及LDO功能相结合，为PDA/智能电话应用中的微处理器的低电压供电。

当设计一个系统的时候，必须对架构进行平衡，包括成本、PCB面积、元器件大小、通话时间、待机时间、电池容量和进度表等等的要求。微处理器RAM需要1.5V、最大电流为400mA的电源。让我们从最简单、成本最低的解决方案―直接连接到锂电池的LDO―开始(下图1)。

图1：把LDO调整器直接连接到锂电池是应用处理器电源管理的最简单和成本最低的解决方案。

电池电压将从4.2V开始跌落到3.2V，在该电平系统进入深度睡眠，直到电池被充电或更换。图2所示为一个典型的锂电池放电周期。

对于如图1所示的配置，LDO 5的效率将是：

LDO百分比效率= [(V_out * I_out) / V_in * (I_out + I_q)] * 100

对于本文中这个和其它的例子，相对I_out(400mA)而言，I_q因为非常小被忽略了(40mA)。

效率方程式然后变为：

百分比效率=[(V_out)/(V_in)] * 100。

对于V_in = 4.2V 且 V_out = 1.5V, LDO的效率为1.5/4.2 = 36%。总功率P_t = 4.2 * 0.400 = 1.70W。

图2：典型的锂例子电池放电曲线。

所有没有被传递到输出负载的功率将以热量的形式在LDO内部被耗散掉。耗散功率为：

耗散(P_d) = (V_in - V_out) * I_out = (4.2 - 1.5) * 0.400 = 1.1W, 耗散为热量。

[p]

我们刚刚计算了最大连续功率(P_t)。RAM在这个功率电平工作的时间不会太长。如果我们考察10%的占空周期，则平均功耗将是：

P_t = 0.10 * 1.7 = 0.17W

RAM以Imax的电流工作的时间取决于应用、电源管理固件和操作系统。在图2中，电池电压稳定在4.2V的时间不长。在3.6V的标称电池电压，V_out仍然是1.5V；LDO的效率为42%。

图3：LDO的输入被连接到降压转换器的输出，该输出电压被设置为1.8V以给存储器供电。

如果系统要求较低的功耗，那么，如图1所示的配置是不能接受的，要考虑如图3所示的解决方案，在它上面的LDO 5的输入被连接到降压转换器的输出，该输出被设置为1.8V以给存储器供电。对于如图3所示的配置，如果LDO 5的输入被连接到1.8V的电源轨，那么，效率的计算方法如下：

效率=V_out/ V_in = (1.5V/1.8V) * 100 = 83%

耗散的功率估算如下：

P_d = (V_in - V_out) * I_out = (1.8 - 1.5) * 0.400 = 0.12W, 该功率将以热量的形式消耗掉。

LDO 5的效率是83%。注意：如果我们要采用开关电源而不是LDO 5，该效率可能低至85%，对于该模块来说，仅仅改善了2%。然而，整个效率取决于所采用的转换器类型。

利用LP3671降压转换器数据表提供的效率曲线(图4)，因为如此，整个系统的双转换DC/DC+LDO的效率将为78%。LDO是最低成本、最小体积和最低噪声解决方案。

图4：利用这些效率曲线，因为如此，整个系统的双转换DC/DC+LDO的效率将为78%。

[p]

如果增加另外一个DC/DC转换器以给RAM供电，就要增加了非常大的外部电感器(3mm x 3mm，10 mm²)，从而增加电路板的面积及整个系统的噪声。如果没有1.8V电源，那就可以采用任何低于V_batt的降压转换器电压轨。LDO的输入电压越低，效率就越高，只要输入电压高于V_out + V_dropout。

当采用LDO为低电压微处理器供电的时候，没有理由表示担心。要问问你自己：“为了把系统的效率提高仅仅百分之几，我真的需要采用一个额外的降压转换器和电感器吗？”

利用降压转换器给低电压轨供电将增加电源管理IC的体积，如果增加一个3mm x 3mm的电感器，就会增加BOM的成本和PCB的面积。相比之下，LDO的成本低廉、外形小且便于使用。它还是能够针对你的应用进行优化的噪声最低的解决方案。

作者：Ken Marasco是美国国家半导体公司系统架构师。