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隨著便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄，對(duì)電源管理芯片也提出更高的要求，諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等。本文探討了在便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意的各方面問(wèn)題。
便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開(kāi)發(fā)手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產(chǎn)品時(shí)，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如，現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器一般都設(shè)有幾種不同的工作狀態(tài)，通過(guò)一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對(duì)電池容量的消耗。當(dāng)用戶(hù)的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí)，處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。
LDO線(xiàn)性低壓差穩(wěn)壓器是最簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，由于其本身存在DC無(wú)開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換，所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓。它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。
LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個(gè)MOSFET加一個(gè)過(guò)流檢測(cè)電阻組成，肖特基二極管作反相保護(hù)，輸出端的分壓電阻取出返饋電去控制MOSFET的流通電流大小，EN使能端可從外部去控制它的工作狀態(tài)，內(nèi)部還設(shè)置過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、信號(hào)放大、Power-OK、基準(zhǔn)源等電路，實(shí)際上LDO已是一多電路集成的SoC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。
低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡(jiǎn)單方便，一般在輸入、輸出端各加一個(gè)濾波電容器即可。電容器的材質(zhì)對(duì)濾波效果有明顯影響，一定要選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器。
LDO布線(xiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波，如何走好線(xiàn)是一個(gè)技巧加經(jīng)驗(yàn)的工藝性細(xì)活，也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一。掌握好電流回流的節(jié)點(diǎn)，有效的控制和降低噪音和紋波。優(yōu)化布線(xiàn)方案是值得參考的。
如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱(chēng)的3.6V，在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%，因此在手機(jī)中產(chǎn)生一些發(fā)熱點(diǎn)，并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實(shí)存在這些缺點(diǎn)，但是當(dāng)電壓差較小時(shí)，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。
當(dāng)采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內(nèi)核供電時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器就沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)了。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能用來(lái)將1.5V電壓降至1.2V，因?yàn)闊o(wú)法完全提升MOSFET(無(wú)論是在片內(nèi)還是在片外)。LDO穩(wěn)壓器也無(wú)法完成這個(gè)任務(wù)，因?yàn)槠鋲翰钔ǔ８哂?00mV。
理想的解決方案是采用一個(gè)VLDO穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍接近1V，其壓差低于300mV，內(nèi)部基準(zhǔn)接近0.5V。這樣的VLDO穩(wěn)壓器可以很容易地將電壓從1.5V降至1.2V，轉(zhuǎn)換效率為80%。因?yàn)樵谶@一電壓上的功率級(jí)通常為100mA左右，那么30mW的功率損耗是可以接受的。VLDO的輸出紋波可低于1mVP-P。將VLDO作為一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。
開(kāi)關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器
電荷泵是一種無(wú)幅射的有效升壓器件，它不使用電感器而使用電容器作為儲(chǔ)能器件。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要注意電容器的容量和材質(zhì)對(duì)輸出紋波的影響。外部電容器的容量關(guān)系到輸出紋波，在固定的工作頻率下，太小的電容容量，將使輸出紋波增大。輸出紋波大小與電容器材料介質(zhì)有關(guān)，外部電容器的材料類(lèi)型關(guān)系到輸出紋波。同一電荷泵，使用相同的容量和尺寸而不同材料類(lèi)型的電容器，輸出紋波的結(jié)果。在工作頻率固定，電容器容量相同的情況下，優(yōu)良的材料介質(zhì)，將有效地降低紋波。選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器是一種比較好的選擇。
LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量較大的產(chǎn)品，在有限的PCB面積上，需要按裝LCD屏、數(shù)碼相機(jī)的鏡頭和閃光燈、音頻DAC等器件，因此它需要封裝很小的多芯片組合的電源模塊(MCM)，以減小電源IC所占PCB的面積，而手機(jī)產(chǎn)品又要求這些電源IC對(duì)RF幾乎無(wú)干擾。
電池充電管理芯片和鋰電池保護(hù)IC
鋰電池充電IC是一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)，它由讀取使能微控制器、2倍涓流充電控制器、電流環(huán)誤差放大器、電壓環(huán)誤差放大器、電壓比較器、溫度感測(cè)比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動(dòng)器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號(hào)發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開(kāi)機(jī)復(fù)位、欠電壓鎖定、過(guò)流/短路保護(hù)等十多個(gè)不同功能的IC整合在一個(gè)晶元上。它是一個(gè)高度集成、智能化芯片。鋰電智能充電過(guò)程：涓流充-->恒流充-->恒壓充-->電壓檢測(cè)，因此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要做到：充分保護(hù)、充分充電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制。
鋰電池保護(hù)電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的，它由一顆鋰電池保護(hù)IC和二顆MOSFET組成。在圖6中，OD代表過(guò)放電控制;OC代表過(guò)充電控制;P+、P-接充電器;B+、B-接鋰電池。鋰電池保護(hù)電路簡(jiǎn)單工作原理如下：正常裝態(tài)M1、M2均導(dǎo)通;過(guò)充電時(shí)M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充電，實(shí)現(xiàn)過(guò)充電保護(hù);充電電流方向P+-->P-;過(guò)放電時(shí)M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充放電，實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù);放電電流方向P- -->P+。
鋰電池保護(hù)電路的PCB板是很小的，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意：1. MOSFET盡可能接近B-、P-;2. ESD防護(hù)電容器盡可能接近P+、P-;3. 相鄰線(xiàn)間距>0.25mm，通過(guò)電流大的線(xiàn)要放寬，地線(xiàn)加寬。
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