TI工程师解析便携媒体播放器的电源管理分组技术

最新的市场统计数据显示，便携式媒体播放器是目前发展最快的便携式消费类电子终端设备。消费者希望在路上也能聆听他们喜爱的音乐，欣赏视频剪辑甚至电影。不过，消费者还希望获得更多功能。即将推出的媒体播放器将集成 GPS 功能和音视频广播接收功能。

越来越多的器件功能对设计工程师提出了一些重大的技术挑战。媒体播放器需要存储并快速处理海量数据，提供高质量的音视频重现功能。因此，电源管理已成为能否提供更长工作和待机时间的重要因素，关系到一种产品的商业成败。

我们不妨来了解一下现代模拟电源管理系统的特性、性能折衷策略以及分组技术，该系统不仅能确保电池充电快速、安全，而且还可为便携式媒体播放器的所有系统组件高效供电。

设计挑战

不断发展的消费者需求对技术提出了新的挑战。音频/视频播放、游戏及全球定位系统 (GPS) 等功能都需要高效使用电池电量。设计时尚、小巧、用户友好型器件要求采用极微小的集成电子与机械组件。

为了尽可能延长工作时间，设计人员必须正确选择电池的化学特性与容量。精确的电池电量监测有助于避免系统过早关闭，并使系统充分利用电池可用电量。正确选择功率转换电路也决定着电池为系统供电的效率。

器件有着严格的尺寸要求，因此设计人员应在小而薄的封装中采用集成元件，确保良好的功耗性能。虽然现代电源 IC 能在同一器件上集成数个电源通道，但我们必须了解系统的电源分组，以避免过度集成。在复杂的电子系统中，如果所有供电元件都集中在相同的位置，这样会造成电源管理设备到实际负载点的线迹过长，从而会导致噪声和散热问题，进而延长开发时间。

创新型解决方案

处理设备居于便携式媒体播放器(图1)的核心地位，它通常结合了微控制器和数字信号处理内核，负责处理不同来源的音频和视频数据，并管理用户界面。高质量音频编解码器确保对声音信息的适当编码和重现。视频编码器使便携式媒体播放器能连接到外部监视器或电视机，适合大屏幕观赏。显示设备主要是彩色薄膜晶体管 (TFT) LCD 模块，LCD 模块通常包括行列视频驱动器和实现背光功能的白光 LED 电源。

GPS 芯片组使播放器能用作便携式 GPS 导航系统，而 FM 调谐器 IC 则能接收无线电广播。

便携式媒体播放器需要几种类型的存储设备和处理内存。处理器通常与闪存存储器协同工作，并利用 EEPROM 存储配置数据和操作系统。音频和视频数据可存储在 SD 卡等移动存储介质上，而内置硬盘驱动器通常可存储较大的数据资料。

处理器、存储器和显示屏构成整体系统，需要不同的电压轨和大量电力。我们必须高效管理电池，实现高效充电，尽可能提高电池到系统的电压转换效率。电池通常是一节锂离子电池，电池容量根据整体用电需求在 1200 至 2000mAh 之间，充电电流应高于 1A。锂离子 (Li-Ion) 电池充电器能安全准确地给电池再充电，而精确的电池电量监测设备可确定充电状态，并有助于系统最大限度利用任何可用电量。

数个电源转换器将电池电压转换为系统电压。3.3 V 的高电流电源轨可用于对带有显示控制器与背光功能的TFT LCD显示模块、高量漏极(HDD)、处理器 I/O 以及音频编解码器供电。处理引擎要求的内核电压相对较低，1.2 或 1.8 V 即可。音频与 RF 组件电源可能需要用线性稳压器来实现稳压输出，以便滤掉开关转换器纹波。

我们有必要更密切地关注一下电源管理系统的分组。通常人们会认为，与数字组件类似，电源系统也应尽可能集成。但这会带来严重的问题。如果将线性电池充电器与功率转换级集成，就会在集成度极高的板级空间造成散热问题。此外，电池充电器通常靠近电池与 AC 适配器的连接处，而功率转换级的理想位置是接近负载点，即处理系统。还有一点值得注意的是，不同型号的媒体播放器根据用途不同要求不同的充电器特性，但功率转换系统都是一样的。鉴于上述原因，最节约成本、设计也最方便的解决方案就是将电池管理与功率转换分由不同的IC来完成，如图 1 所示。这不仅有助于最大化设计灵活性，简化布局与散热管理，而且还能够降低解决方案的总成本。

为了维护安全工作条件并最大化电池工作时间，电池充电器应确保锂离子电池的充电过程符合制造商的规范。要实现这一目标，就要采用恒流恒压 (CCCV) 的充电方案，并确保稳压精度小于 1% ，以避免出现过度充电。我们应识别出剩余电量极低的电池，先以一定比例的最大充电速度给它充电，慢慢提高电池电压，然后再进入快速充电模式。此外，充电器应通过专门的温度传感引脚 (TS) 测量电池的温度，避免在 0 ℃～40℃ 范围之外进