利用新兴的电源管理技术设计消费类电子产品电源

目前的便携式消费类电子产品需要更短的充电时间、稳定的电压和可靠的电池监测功能，高效的PMIC必须以适于消费类电子的小型封装提供低廉而通用的解决方案，并配以最佳的性能和最高的效率来为系统设计人员提供更高的价值。

随着CMOS技术不断向深亚微米发展，高度集成的电路同电池续航能力方面的显著进步共同迎来了消费类电子设备的新时代，并开创了无限的可能性。要实现高度集成，就需要我们采用先进的电源与系统管理技术在更小型的封装中处理更高的电流以及更低的系统电压，这进一步加大了对散热管理的要求。此外，随着越来越多的系统实现了便携性，电池供电的重要性也日益提高。我们必须能够监控系统性能，提高系统效率，并尽可能延长电池的使用寿命，同时不管电池具有何种化学特性，均应实现快速充电，这都是消费类电子产品开发商所要面临的新挑战。为了适应设备小型化的空间尺寸要求，并满足功能升级的需要，电源、电池管理及专用系统功能均要求高度集成的高级解决方案，这些都是成功开展消费类电子系统设计所应解决的重大问题。

当前消费类电子应用中的电源管理与供电系统非常先进、复杂。从传统上来说，我们将不同的系统功能分开来考虑、设计并加以集成，供电与管理通常是随后才考虑到的问题。在许多情况下，我们都采用不同的稳压器，根据产品功能数量的不同，设备中不同的稳压组件可能多达10个乃至20个。这样的“电源管理”及供电技术成本不菲、效率低下、占用的板级空间也很大，上述问题都会妨碍消费类电子应用目标的实现。

对于便携式产品设计工程师而言，高度集成的数控电源及电池管理IC(PMIC)将成为尖端便携式产品系统级发展策略中至关重要的部分。系统成本有望不断降低，同时灵活性与可靠性也有望提高，这些积极因素都推动着数控PMIC的开发。

图1：锂离子电池放电曲线。

利用“升-降压”技术延长电池寿命

就功能丰富的便携式应用而言，延长电池使用寿命的关键在于设计高效的电源电路，并实现智能的电源管理。这种电路正从简单而效率低下的稳压器电路逐渐发展成为开关式稳压器组件。这种过渡对低压应用尤其重要，这也是消费类电子市场的推进力量。通过开关式稳压器可实现更高的效率，这一点也受到机械设计人员的欢迎，因为效率的提高会降低散热要求。同时，随着外部滤波组件的小型化，相同的特性和功能所需的封装也越来越小。但是，开关式电源也确有其弱势，用于产生所需电压(并给低压组件供电)的脉宽调制(PWM)总会给敏感的电路带来更多噪声。此外，这种拓扑还会在轻负载情况下降低效率。

消费电子应用领域的另一项发展也很引人注目，这就是“升-降压”稳压器件的采用。许多电池供电的应用都需要这种稳压器，因为锂离子电池供电的系统具有VBATT电压特性(见图1)，也由于应用所采用的许多IP块都是3.3V的内核逻辑器件。当VIN大于降压模式(VOUT)时，“升-降压”调压器作为线性稳压器发挥作用，不过当VIN下降至低于某一给定阈值时，又会过渡成为升压稳压器。

就锂离子电池系统而言，电池完全充电以支持降压工作时，能够提供充足的电压。不过，随着电池电量的消耗，电池输出会下降，到某一时段我们就必须采用升－降电路的升压模式来提高电池电压，并根据整体设备规范要求为负载的内核逻辑器件提供适当的电压。

ASSP电源管理IC

我们为支持电源管理而设计了专用标准产品(ASSP)，在IC中实现了高度集成和数字可编程功能，并有助于缩短最终产品的系统设计进程。

电源管理ASSP能够方便地实现有关功能，没有它的帮助，我们就不得不采用定制的专用集成电路(ASIC)或综合使用多个单一功能分立器件。ASSP PMIC有助于节约系统制造商的时间，并降低资源消耗与机会成本，进而减少印刷电路板(PCB)的空间占用和系统级成本。

适用于便携式产品应用的PMIC需要提供配套的功耗、电池与复位监控功能。数字控制可加强抗噪能力，并实现对功率因数校正与转换的动态管理，以前这些功能因为过于复杂，都很难采用完全模拟的方式来实现。

通常说来，电源设计人员都具有多年的模拟控制系统工作经验。他们在模拟方面的工作经验使得其头脑中形成了模拟设计的思维定式，要解决这个问题，就要让他们充分了解高集成度数控可编程电源管理器件的优势，它们能以更小的封装实现更高级的系统管理。便携式消费类应用的印刷电路板面积不断减小，这推动了对更高集成度的需求。

便携式消费类电子应用通常都需要低功耗特性来实现更长的电池使用寿命。锂离子和锂聚合物电池是目前消费类电子应用普遍采用的技术。系统工作电压最低已降至2.7V，接近电池工作点的极限，可最大化设备工作时间。

不过，由于所有电池应用基本都面临电池容量的问题，因此电源管理是所有电子系统必须要解决的内在问题。就此而言，为了实现独树一帜的系统级性能，电源管理是不可或缺的环节，因为只有通过消费类电子系统的调节，才能将难以预计的、有时甚至是噪声很大的电源转变为稳定、持续、准确且独立于负载的电源电压。

消费者希望延长电池使用寿命，同时又不致增加尺寸。我们必须在更小的封装中加入更多的功能，而且功耗还要更低，这凸显了电源管理设计的关键性作用。我们之所以在PMIC上集成尽可能多的功能模块，显然是为了节约成本，缩小设备尺寸，特别是要针对高销量的标准产品实现高度集成技术。集成技术可为多种电池供电的手持设备(如移动电话、PDA、MP3播放器及数码相机等)提供单芯片的电源管理解决方案。

新兴的PMIC架构

PMIC是与应用处理器或控制器IC协同工作的混和信号配套芯片。应用处理器或控制器能够提供大量的数字接口及软件功能，而PMIC则可为相应的消费类电子应用提供配套的供电、电池与复位管理。PMIC通常包括实时时钟和一些唤醒功能，从而能实现高效的系统级深度休眠状态。这些特性可利用主机控制器通过廉价的业界标准型I²C串行接口配合一些专用的通用输入输出(GPIO)引脚来控制。我们用智能中断系统向主机应用处理器或控制器发出有关众多电源管理事件的信号。

图2：新兴的消费类电子产品典型的电源管理系统架构。

在新兴的消费类电子应用中，PMIC(图2)通常提供以下功能：

1. 锂离子和锂聚合物电池的电池充电和电池管理功能；

2. 电池和系统温度检测；

3. 复位管理；

4. 多种可编程低压降稳压器；

5. 可控制低压系统电路的开关稳压器；

6. 适用于USB或IEEE1394设备的一系列DC/DC转换器和控制电路系统；

7. PWM输出；

8. LED驱动器输出；

9. 具备告警功能的实时时钟电路；

10. 通用输入和输出均支持系统唤醒；

11. 各种可编程减法计数器和加/减法计数器；

12. 伪非易失性参数存储器，这种存储器始终处于工作状态，存储关键的系统信息。

低成本的CMOS工艺

硅芯片工艺技术对开发消费类电子市场中的低功耗电子组件发挥着重要作用。在实现系统所需的高级模拟和数字功能时，上述组件的待机和工作功耗必须都要很低。传统的电源管理器件都采用BiCMOS技术支持无线应用" target=_blank>BiCMOS 或BiPolar工艺制造，而新型器件则采用标准亚微米CMOS工艺制造。这种发展趋势相当重要，因为CMOS技术专为低功耗而优化，其适用范围不断扩广，这有利于器件小型化，推动成本降低并实现优化的功能。

PMIC通常包括电源时序逻辑单元(PSLU)。PSLU根据设计可控制多种功能以实现系统电源管理，如多种电源的上电或断电特性；电池充电电源；为低压降稳压器(LDO)生成低噪声、温度稳定的基线所需要的内部电压参考，以及其它调节功能等。

利用业界标准的双线I²C串行接口可接入设备控制和配置寄存器。该接口使微处理器能够完全控制系统电源管理功能，并帮助系统设计人员最大化待机时间与播放时间。我们通过中断信号和状态寄存器来实现故障报告功能。

电池充电管理模块包含内部充电控制功能，可实现单体锂离子电池的高效充电。该模块能够与连接至PMIC器件引脚的外接电源协同工作，可安全地调节近于完全放电的电池，向电池提供用户可编程的电流，使电池达到完全充电后的电压水平。

从封装的角度看，芯片设计人员必须选择尽可能小的封装，以节约板级空间，努力为最终用户降低整体生产成本，并使应用限制在低于1毫米的z高度内，同时还要避免出现散热问题。如果需要外部组件对设备进行类似的控制，那么我们也必须考虑到这些外部组件的z高度问题。

作者：Steven E. Strauss

Tony Grewe

杰尔系统公司