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??? 現(xiàn)代便攜式裝置電源管理解決方案的開發(fā)商正面臨各種挑戰(zhàn),，不僅要讓設(shè)計更精巧、更便宜與更省電,，還要有更大靈活性,。一個平臺只須要略為修改就能適應(yīng)不同市場的各種終端產(chǎn)品。本文以一套便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)為例介紹三種不同的電源管理解決方案概念,，同時說明這些概念會隨著主要需求不同而各有優(yōu)點與用途,。這三種概念是完全集成設(shè)計 (full integration),、熱最佳化局部集成設(shè)計 (thermally optimized partial integration) 和布局最佳化分立設(shè)計 (layout-optimized discrete)，至于個別環(huán)境的最佳架構(gòu)則必須視整體的技術(shù),、應(yīng)用和商業(yè)需求而定,。
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??? 便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為個人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (Personal Navigation Assistants)，是消費電子市場成長最快的領(lǐng)域之一,，可滿足使用者基本的方向感與導(dǎo)航要求,。利用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位服務(wù) (LBS) 現(xiàn)仍在初步發(fā)展階段，但此領(lǐng)域?qū)⒆?010起快速成長,，尤其是歐洲新部署的伽利略 (Galileo) 商業(yè)系統(tǒng)必然會帶動進一步發(fā)展,。便攜式導(dǎo)航功能還可擴大應(yīng)用到其它的便攜式使用者裝置，這正是許多便攜式產(chǎn)品都必須面對電源架構(gòu)挑戰(zhàn)的原因,。
本文重點放在售后零件市場的典型商用便攜式導(dǎo)航系統(tǒng),。圖1是這類系統(tǒng)的框圖。
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??? 系統(tǒng)的GPS衛(wèi)星接收器會將原始數(shù)據(jù)提供給處理器,，處理器則根據(jù)數(shù)字地圖信息(通常透過儲存卡提供)比對這些數(shù)據(jù),，再以圖形和數(shù)字將結(jié)果顯示在6到12公分的大型TFT屏幕。系統(tǒng)通常還會提供USB接口以便數(shù)據(jù)交換使用,，此接口有時還能做為充電電池的電源,。控制接口通常包含觸控屏幕和某些按鍵,，電源供應(yīng)則由一顆鋰離子電池和汽車電路系統(tǒng)的聯(lián)機提供,。充電電池能讓消費者連續(xù)使用裝置數(shù)小時，例如行人可用它尋找特定地點,。戶外專用裝置的要求則有所不同,，譬如登山者或摩托車騎士就需靠著電池在外面使用一整天。系統(tǒng)還會透過集成式喇叭發(fā)出語音導(dǎo)航指示,。多數(shù)制造商都會使用單一技術(shù)平臺,，然后增加適當(dāng)功能以滿足不同市場需求。
電源管理要求
??? 此處所述的應(yīng)用環(huán)境基本上決定了電源管理系統(tǒng)設(shè)計的主要需求,；除了電壓與電流外,，它還要如圖1所示提供不同消費者所需的功能。系統(tǒng)還須采取措施監(jiān)控充電電池,、確保充電安全和控制屏幕亮度,；另外，由于可用空間相當(dāng)有限,，解決方案必須很精巧,。儀表板位置須能減少熱量產(chǎn)生，因為直接曝曬在夏日陽光下會使周圍溫度升高。接收機靈敏度是很重要的因素,，它會對使用者造成直接影響,。整個系統(tǒng)因此只能產(chǎn)生很少的電磁輻射，以避免內(nèi)部干擾造成接收機的信噪比下降,。一套適用不同市場的共通平臺架構(gòu)還需要最大靈活性,，以便支持硬件與軟件修改與其它附加功能。
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??? 電源管理架構(gòu)的主要需求可歸納如下：
- 設(shè)計精巧,，零件數(shù)目很少,；
- 電磁干擾很小,；
- 靈活性設(shè)計,；
- 電源效率很高，熱量產(chǎn)生很少,。
??? 如何才能讓最佳架構(gòu)設(shè)計滿足這些要求,？基本上有三種不同方法，它們各有其重點,。本文將利用市場上買得到的組件詳細(xì)說明這些方法,，然后討論它們的優(yōu)缺點。
完全集成設(shè)計
??? 一種顯而易見的解決方案是把所有的有源 電源管理功能集成至一顆芯片,。圖2就以德州儀器 (TI) 的TPS65820為例說明這種方式,。這款芯片不僅有兩個降壓轉(zhuǎn)換器提供電源給處理器芯核、程序內(nèi)存和閃存,，還包含多組線性穩(wěn)壓器做為儲存卡的電源供應(yīng)以及衛(wèi)星接收器和音頻編譯碼器的低噪聲電源,。它還集成電池充電電路以及屏幕背光照明的升壓轉(zhuǎn)換器，使一顆芯片就能提供所有的電源管理功能,。
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??? TPS65820采用7×7mm QFN封裝,。由于電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率很高，故能使用很小的電感與電容,。此處的設(shè)計還將芯片的最大高度列入考慮,，因此電路板的所有有源與無源元件高度都小于1毫米。
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圖3 完全集成式設(shè)計的元件位置安排 (芯片為紅色,，電感黃色,，電容藍色，電阻棕色,，二極管綠色),，電路板面積約170平方毫米
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??? 整個模塊的設(shè)計布局相當(dāng)精簡。這可以是項優(yōu)點,，只不過它需要接近正方形的電路板空間,，如果布局太不規(guī)則就可能發(fā)生問題,。完全集成式解決方案的另一缺點是缺乏靈活性,，很難同時達到不同市場的要求,，譬如充電器對低端產(chǎn)品可能過于龐大，或者驅(qū)動電路無法滿足高端系統(tǒng)的大型屏幕背光照明需求,。完全集成式系統(tǒng)還可能造成應(yīng)用范圍受限,，例如只能用在低成本而高產(chǎn)量的市場。
熱最佳化局部集成設(shè)計
??? 這種設(shè)計較注重靈活性,，它會把平臺所有機種的相同電源供應(yīng)全部結(jié)合至一顆芯片,。圖4以TI的TPS65050為例說明這種做法，它會提供電源給處理器芯核,、外部內(nèi)存電路,、衛(wèi)星接收器的儲存卡和模擬電路以及音頻編譯碼器。
圖4 利用TPS65050局部集成處理器相關(guān)電源,，并以BQ24032A做為充電組件,，TPS61061擔(dān)任白光LED驅(qū)動器
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??? 屏幕背光照明的白光LED電源是由分立組件提供，這能讓同一平臺的不同機種使用不同的屏幕,。例如只要以TPS60230之類采用電荷泵技術(shù)的解決方案取代分立式LED驅(qū)動組件TPS61061,，就能使用LED并聯(lián) (而非串聯(lián)) 的屏幕。
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??? 使用獨立充電組件BQ24032A讓「熱最佳化局部集成」更為明顯,。2Ah以上高容量電池的充電電流最高可達到1.5A,。由于應(yīng)用裝置在耗盡電力的電池透過此方式充電時仍須繼續(xù)工作，因此總電流會等于操作電流與充電電流之和,，這將使充電組件因為外部電源與電池之間的電壓降而出現(xiàn)龐大功耗,。「熱最佳化局部集成」則將這項功能移到采用散熱最佳化封裝的獨立芯片,，這樣就算出現(xiàn)很大的耗電也只會造成充電電流下降,，而不會像完全集成式解決方案一樣導(dǎo)致過熱關(guān)機，或是因為降壓轉(zhuǎn)換器 (尤其是LDO) 的功耗而產(chǎn)生更多熱量,。另外,，只要使用獨立的充電組件，設(shè)計人員即可調(diào)整這項功能以適應(yīng)同一平臺的不同機種,，例如采用大型或小型電池,，或者選擇是否提供USB充電功能。
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圖5 熱最佳化局部集成設(shè)計的元件位置安排,。顏色標(biāo)示方式與圖3相同,，電路板面積約為165平方毫米。熱量主要來自BQ24032A和TPS65050,，它們在電路板的位置可以盡量隔開
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??? 這種設(shè)計不會浪費電路板空間,，解決方案的大小與完全集成式設(shè)計差不多。元件的位置則更有靈活性，這對形狀不規(guī)則的電路板很有幫助,。設(shè)計人員還能將溫度很高的組件放在適當(dāng)位置,，并確保這些容易發(fā)燙的元件均勻分布在電路板上。
布局最佳化的分立解決方案
??? 如果從完全集成到熱最佳化局部集成算是一種局部分解,，我們當(dāng)然能更進一步創(chuàng)造出完全由分立元件構(gòu)成的解決方案,。這類解決方案必然會有最多的元件，這不僅使元件清單和庫存管理更復(fù)雜,，通常也會是最昂貴的架構(gòu),。但盡管如此，這類解決方案仍有許多值得采用的理由,。
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??? 我們的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩(wěn)壓器,，以TPS61061做為屏幕背光照明電源，處理器相關(guān)電源則由兩個降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 (TPS62300),。分立解決方案必須采用晶圓芯片級封裝 (WCSP) 之類的先進微型封裝技術(shù),，才能將設(shè)計縮小至完全集成或熱最佳化局部集成解決方案的水平。由于封裝的體積和寄生阻抗都很小,，這類設(shè)計可將開關(guān)頻率提高至3MHz以便使用小型芯片線圈和輸出電容,。這類解決方案還能采用芯片級封裝的線性穩(wěn)壓器，例如此處所用的TI TPS799xx組件,。
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圖7 分立解決方案的元件位置安排,。顏色標(biāo)示方式與圖3相同，所需電路板面積約為175平方毫米,。設(shè)計的形狀會隨著電路板形狀而改變
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??? 只要采用最合適的微型封裝組件,，這類設(shè)計就能將電路板面積縮小到高度或完全集成式解決方案的水平。
有兩種理由可能促使設(shè)計人員選擇分立解決方案,。首先,，許多電路板的形狀很不規(guī)則，尤其使用電池的便攜式產(chǎn)品最常遇到這種情形,。它們有很多凹口來安裝電池,、控制組件、天線或屏幕,。日益流行的平面模塊則讓電路板參差不齊,，有時甚至無法使用高度集成的解決方案。隨著電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率達到2MHz以上,，無緣元件的位置必須盡量靠近組件引腳以避免電路不穩(wěn)定并降低電磁干擾,。完全集成式解決方案對元件位置的限制很嚴(yán)苛，任何改變都會影響系統(tǒng)功能,。這類 電源管理方塊大都采用正方形或略似長方形的結(jié)構(gòu),。
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??? 若采用分立解決方案,，就算是很不規(guī)則的電路板也能實現(xiàn)功能完整的設(shè)計。使用分立設(shè)計的第二個理由是可將電磁干擾減至最小,。導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機靈敏度是非常重要的使用者考慮因素,，必須在天線端提供良好的信噪比才能確保接收靈敏度。分立設(shè)計可以將潛在的噪聲源與干擾源安排在距離天線較遠(yuǎn)的地方,，同時將線性穩(wěn)壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線的位置,。除此之外,，我們也更容易在設(shè)計發(fā)生問題時更換特別重要的元件,，而不必從頭修改整個設(shè)計。例如背光照明就是非常重要的功能,，這是因為多數(shù)用來驅(qū)動白光LED的升壓轉(zhuǎn)換器都會泄漏電流,，所以在某些情形下會產(chǎn)生電磁干擾。在完全集成式組件里,，背光驅(qū)動器的電磁輻射是一項非常重要的特性,，若發(fā)生問題就可能需要使用另一顆獨立的驅(qū)動組件，而對產(chǎn)品成本造成不利的影響,。
未來展望
??? 本文重點放在個人導(dǎo)航輔助系統(tǒng) (PNA) 這種目前最常見的便攜式導(dǎo)航裝置,。我們現(xiàn)在將開始考慮每一種做法的未來發(fā)展性。舉例來說,，導(dǎo)航系統(tǒng)與便攜式多媒體應(yīng)用的集成不僅是在意料之中,，而且很有必要。MP3播放機的集成不需額外的 電源管理組件,，因此不用大幅修改平臺即可將此功能加入導(dǎo)航系統(tǒng),。視頻播放機的集成則完全不同，儲存媒體(多半是硬盤)通常需要升降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生操作電壓,。大型屏幕需要更多LED做為背光照明,，故需更強大的電源轉(zhuǎn)換器。如果高畫質(zhì)視頻應(yīng)用也在規(guī)劃中,，整個處理器電路有時就要徹底修改,，因為它需要運算能力更強大的其它處理器單元，但這也會使總電流消耗大增,。想在不使用汽車電源的情形下延長產(chǎn)品工作時間,，電池的容量就必須增加。此時,，整個系統(tǒng)比較像一臺包含導(dǎo)航等擴充功能的便攜式視頻播放機,。這些概念還能用于便攜式游戲應(yīng)用。熱最佳化局部集成是這類匯聚系統(tǒng) (convergent system) 的最佳解決方案,，因為這種解決方案能將處理器相關(guān)功能的電源管理標(biāo)準(zhǔn)化,，同時維持完整的外圍設(shè)計靈活性,。匯聚系統(tǒng)的完全集成芯片常遇到內(nèi)建電源轉(zhuǎn)換器不符實際需求的情形，熱最佳化局部集成解決方案則能避免這類問題,，進而將系統(tǒng)成本最佳化,。
結(jié)語
??? 本文介紹的三種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設(shè)計工作。完全集成式解決方案適合不需靈活性的高產(chǎn)量應(yīng)用,，分立解決方案則有助于實現(xiàn)困難電路板布局并達到嚴(yán)苛的電磁兼容性要求,。熱最佳化局部集成解決方案通常是前兩種做法的折衷，特別適合必須支持不同市場的模塊化設(shè)計,。
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??? 特定環(huán)境下的最佳做法須視系統(tǒng)設(shè)計的主要需求而定,。整體需求是由個別市場需要、技術(shù)可能性和商業(yè)環(huán)境等許多因素組合而成,，因此各部門必須在概念階段密切合作才能得到最好的結(jié)果,。幸而TI等大型半導(dǎo)體廠商已能提供種類廣泛的組件支持這些概念，并由受過電源管理技術(shù)專業(yè)訓(xùn)練的應(yīng)用工程師提供協(xié)助,。
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