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集成与灵活性—通往最佳电源管理架构之路

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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。