UMPC和MID的电源系统设计挑战及解决办法

    UMPC(超便携移动个人电脑)和MID(移动互联网终端)是近年来最具成长潜力的便携式电子产品。作为一种硬件设计小巧轻便的设备，通过UMPC，用户可以享受移动互联网的诸多优势，还可以在移动过程中访问多种办公应用软件以提高工作效率。而MID与UMPC类似，同样为便于携带的移动PC产品，便于用户随时享受影音娱乐、进行邮件收发等操作。

    更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移动特性使得UMPC和MID产品对电源系统的性能、功耗、保护及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID产品需要向处理器、存储器、显示器和其它部分提供不同的工作电压，以减少处理器消耗的电量，延长电池的运行时间，并提高电池的供电效率。因此，本文将从UMPC和MID中的处理器、存储器、显示器这几个方面着手对其电源系统设计进行深入探讨。

    多个电压轨的安排成为一大挑战

    UMPC和MID设备现已成为一个集成多种功能的平台，该平台上汇集了消费者所能想象的几乎所有功能，如移动电话、网页浏览、办公软件、电子邮件、蓝牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戏、数码相机、移动电视、多媒体播放器等等。无疑，如此高的集成度将给电源系统设计带来重大的挑战，这些挑战包括高功耗、散热、高效电源管理、EMI和噪声消除等问题。飞兆半导体公司(Fairchild)资深工程师李仁果认为，解决上述挑战的途径包括：利用动态电压调节(DVS)解决方案提高功效；通过良好的电路板布局改进散热和EMI；高性能DC/DC功率模块加上具有低噪声LDO的低VIN解决方案在设计灵活性、易用性和成本因素方面优于电源管理单元(PMU)。

    在将上述多个功能模块组合在一起时，由于每一个内核芯片都有其自己的上电顺序，因此系统设计人员不能像在功能手机中那样共享电压轨。“在3×3英寸的面积中安排多达20多个电压轨是一个巨大的挑战。集成的电源解决方案应该是一个不错的解决方案。但对于芯片设计人员而言，如何在灵活性和集成度之间实现平衡是一个非常大的挑战。”德州仪器(TI)中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为表示。

    但所有的功能模块并不需要在同一时间内使用，因此总体而言，电池容量足以支持功能扩展的趋势。此外，MID/UMPC并不是一个纯粹的娱乐设备，它还可作为工作的有益工具。终端用户需要知道他们可播放视频的时间长短、可上网的时间长短以及可通过Skype/MSN和客户聊天的时间长短。这样就可以分配时间并保存实现必要功能所需的电池能量。因此，在许多应用中，能够精确预测电池运行时间变得至关重要。

    另一个挑战在于保持同等(甚至更长)电池工作时间，而不会显著增加电池尺寸。安森美半导体数字及消费产品部系统及应用经理Jacques Lavernhe强调，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、蓝牙等多种无线协议，除了集成电源管理集成电路(PMIC)和电源空间间隔尺度等电源管理技术，还应该特别注意节省通信设备物理层(PHY)输出的能量。在工作阶段，无线物理层一直在睡眠与工作状态之间转换。“在睡眠状态，RF功能关闭，但数字内核仍在工作。可利用动态电压调节(DVS)和动态频率调节(DFS)技术来节省大量电能。”

    同样是考虑到在一个外形纤巧的设计中能实现以上所有功能以及较长的电池寿命，美信集成产品公司(Maxim)Infopower业务总监Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC设备中，需要多达30至40个电压调节器对处理器和所有外设供电。需要具有高效调节器和最少外部元件的高集成度PMIC来尽可能地延长电池寿命，并减小MID/UPMC的尺寸。

    由于UMPC产品中普遍需要多个不同的电压轨(通常由单节锂离子电池来提供)，其中包括多个微处理器电压轨以及众多的特殊功能电路电压轨。因此，人们迫切要求电池能提供所需的功率。不过，电池的外形尺寸相对较小，而且功率密度也只实现了中等程度的增加。在这种情况下，电池运行时间和良好的热管理都成为了重要的卖点，对于非常紧凑且具有高效率的多输出同步转换器的需求便应运而生。

    转换效率上的提升使得同步降压、升压或降压-升压型转换器与传统的线性稳压器相比，在电池运行时间上获得了实质性的改善。此外，这些转换器还提供了约95%的效率，并免除了增加任何散热装置的需要。凌力尔特公司(Linear)针对便携式电源管理应用提供的产品拥有许多独特优势，包括：高开关频率(高达8MHz)、高效转换(以最大限度地减少热问题)、轻负载时的高效率、待机模式中的非常低静态电流(低至9μA)和高集成度(内置了集成MOSFET和肖特基二极管)。该公司近期推出的多输出同步降压和降压-升压型稳压器系列即可提供这种超紧凑型的高效率解决方案(如LTC3544、LTC3545等)。

    在低成本、外型轻薄和具有移动上网功能的前提下，UMPC/MID的电源设计还必须摆脱传统个人电脑外部零件复杂、具有较高的输出噪声和待机功耗、较高BOM成本等限制。为此，阿瑟莱特科技(AXElite Technology)针对UMPC/MID推出了兼具极少外围组件和超低压差的1A～5A ULDO线性稳压器，并且为达到产品轻巧和对省电的要求，根据Intel ATOM或VIA NANO平台上配置的UMPC/MID电源所需提供的各种低电压转换要求来提供稳定的电源供应方案。例如，1.5V转1.2V稳定供给802.11/蓝牙无线模块所需的1A～5A电源管理方案，可将外部组件减到最少并且纹波噪声比传统开关式稳压器更低。

    面向处理器功耗优化的电源管理

    UMPC/MID设备中常用的微处理器具有多个低电压轨，在接通和停机期间必须对这些电压轨进行正确的上电操作。这些低电压轨通常包括CPU内核电压、I/O和一些存储器。此外，CPU内核电压还会视所需处理电平的不同而改变，因而要求电源对其电压进行动态调节，以达到优化功耗的目的。

    凌力尔特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降压型稳压器，能够提供双通道600mA和双通道400mA连续输出。每个通道均可通过板上I2C接口(两个通道通过I2C，另两个通道则通过RUN引脚)进行独立控制(包括输出电压)，从而使其非常适合于那些要求对输出电压实现动态调整的应用(如微处理器)。

    LTC3562采用一种恒定频率和电流模式架构，工作输入电压范围为2.85V至5.5V，因而使其成为单节锂离子/锂聚合物电池或多节碱性/镍镉/镍氢电池应用的理想选择。LTC3562有两个通道(600mA和400mA)，可通过将反馈电压设置在425mV至800mV之间(利用I2C接口)来调节输出电压。另两个通道则提供了固定输出电压，可利用I2C接口将输出电压设置在600mV至3.775V之间(以25mV为梯级)。这种输出电压独立控制水平使得该器件非常适合于管理便携应用中所常见的多个电源轨。

    德州仪器(TI)的张洪为对此亦有认同，“为尽可能地减少能耗，可采用多个电压轨。我们使用该技术将电池的工作时间几乎延长了一倍。今后人们还将不断降低电压，但就电压降低而言，系统的不同部件具有不同的问题和步骤，因此将会出现更多的电压轨。”他认为，一种较简单的解决方案就是采用低压输入 LDO。利用这种技术的支持，就可以从邻近的电压轨得到多个电压轨并保持最高效率。例如，可以从1.8V的电压轨获得1.6V PLL电压，并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的许多PMU均采用低输入LDO，如TPS65051。

    虽然处理器要执行从音视频播放、互联网浏览到游戏等大量任务，但它仍然需要在一段较长时间内保持待机状态。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，处理器的功耗可能在几微安到数安培之间变化，给处理器供电的电压调节器需要在所有负载条件下都提供高效率。此外，电压调节器还应提供动态电压调节、极高的电压精度以及负载瞬态响应，以满足处理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load专利技术的MIC23031调节器可以在各种负载条件下提供很高的效率。[page]

    安森美半导体(On Semiconductor)电源转换产品部市场营销经理David Chu则补充道，对于MID及UMPC专用的英特尔Atom处理器而言，用于Atom处理器的电源管理解决方案需要满足英特尔的IMVP6+规范。此外，为达到延长电池使用时间和减小电路板面积的目标，高转换效率和小尺寸也是非常重要的因素。

    ADP3211A是安森美半导体针对英特尔Atom处理器的专用解决方案，完全兼容于英特尔的IMVP6+规范。该解决方案采用安森美半导体专有的斜坡脉冲调制(ramp-pulse-modulated, RPM)控制技术，可最大限度提升整个负载范围内的电源转换效率，同时将输出解耦电容减至最小。NT_MD4820N是安森美半导体的双N沟道MOSFET，它将MOSFET的占位面积减小了多达50%。利用这两款器件，即可提供完美的解决方案为MID/UMPC产品中的处理器供电。

    DDR2/3存储器电源设计的难点

    由于运行DDR的速度非常快，功耗和优良的瞬态响应成为电源设计的难点所在，而高效、易用的DC/DC解决方案是最佳选择之一。飞兆半导体的FAN5236是一款双输出DDR PWM/PFM控制器，为两种在0.9V到5.5V范围可调的输出电压提供高效调节，而这是为高性能笔记本电脑、PDA和互联网设备的I/O、芯片集和内存供电所必需的。轻负载下的同步整流和滞后运作有助于在宽泛的负载范围提高效率。如果需要在所有负载水平下使用PWM模式，可在每个PWM转换器上分别取禁用滞后运作模式。

    “为DDR2/DDR3供电是一个非常复杂的问题，尤其是在高数据速率的情况下。”TI的张洪为表示，此外，由于存在多种工作模型并且需要在各个模型之间顺畅地转换，因此通常会有一个专用DDR 内存电源芯片来供电。该公司的TPS51116就是业界最常用的DDR电源解决方案之一。不过，在美信公司的Mehdy Khotan看来，“DDR2/DDR3存储器供电真的没有特别的挑战。”

    在单节锂离子电池供电型UMPC中，主存储器将由一个小型硬盘驱动器(HDD)来提供。这些小型HDD通常需要一个3.3V的恒定电压(在300mA标称电流条件下，峰值电流为500mA)。新一代锂离子电池的输出电压变化范围从4.2V到低至2.5V。因此，为优化至HDD的功率输送，最佳的解决方案是采用一个集成降压-升压型转换器。凌力尔特针对这一需求推出了LTC3532降压-升压型转换器。这是一款高效率、固定频率、降压-升压型DC/DC转换器，能够利用单个电感器对一个高于、低于或等于输入电源电压的输出电压进行调节。

    英飞凌科技(Infineon)基于Primarion技术的动态相位调节功能亦可轻松满足高效与节能要求。Primarion控制器可在规定电流水平下完成动态相位调节，提高轻载或空闲模式下的效率。实现这种功能时，客户不必花费额外的费用或资源。控制器可在相位增减之间轻松切换，以保持系统稳定。另一方面，Primarion控制器可根据实际DDR DIMM(双列直插内存模块)的数量，调节控制相位。这种功能也可改善系统效率，防止在所插入的DIMM较少时出现功率浪费的情况。

    有源OLED显示屏的推荐电源解决方案

    目前，有源矩阵OLED(AMOLED)技术正在显示屏领域兴起。它既结合了PMOLED技术的优势，又轻松地克服了PMOLED技术的局限。但是，AMOLED显示屏为工程师带来新的挑战。安森美半导体的Jacques Lavernhe推荐使用由升压转换器和逆变器组成的双路DC/DC解决方案，这是因为AMOLED驱动器需要锂离子电池提供正电源和负电源。要防止显示屏上出现任何色彩偏移或闪烁，DC/DC转换器必须结合不同的特性，如高精度和极佳的动态参数。此外，便携应用的一些关键特性，如电池工作时间、元件数量和解决方案的极小尺寸等也须考虑。

    美信公司的Mehdy Khotan还补充道，MID/UPMC显示器的尺寸在3.5至7寸之间变化，美信公司可为MID/UPMC应用提供分立器件和PMIC显示器背光驱动器，这些器件可以支持1至4串LED(8个LED)来满足以上要求。该公司还拥有能够提供OLED应用所要求的正/负电压轨的独立器件。如果OLED在MID应用中广泛采用，那么这些器件可作为IP块集成在PMIC中。

    为TFT-LCD显示器供电是也极具挑战性的系统级难题之一。TI的张洪为强调，因为这不但要考虑效率、EMI，而且还要顾及波形、上电顺序等问题。任何不匹配都将会导致图像缺陷，而无法被最终用户所接受。例如，一旦LCD偏置与音频放大器共享 5V 的电压，则可能会出现水纹问题。TI推出的TPS65150就是一款可提供LED背光和LCD偏置的芯片解决方案，其内置的缓冲器放大器可以成功地消除水纹问题。

    对于TFT-LCD显示器，凌力尔特公司电源产品部产品市场主管Tony Armstrong的观点是，为实现TFT-LCD屏幕的正确供电，一个DC/DC转换器必需能够提供3个独立的输出电压(即：AVDD、VON和VOFF)以及正确的上电和断电排序。凌力尔特最新推出的LT3513转换器具有5个独立控制的稳压器，用于提供TFT-LCD屏幕内部所必需的全部电源轨。其降压型稳压器能够输送高达1.2A的连续输出电流(用于逻辑电源轨)。可以利用LDO控制器和一个外部NPN MOSFET产生一个较低电压辅助逻辑电源。一个高功率升压型转换器、一个较低功率升压型转换器和一个负输出转换器提供了3个独立的输出电压。一个集成高压侧PNP提供了VON信号的延迟接通，而显示屏保护电路则负责在4个输出中的任何一个低于其编程输出电压达 10% 以上时停用VON，从而起到保护TFT-LCD屏幕的作用。