便携及电池供电系统电源管理设计

当今的便携应用集成越来越多的功能。大趋势是手机不单是移动电话，还成为数码相机(DSC)、移动电视终端以及游戏机和多媒体终端。现今的数字技术让应用处理器足够为终端客户提供这些功能。

然而，这种功能剧增的代价是功率消耗越来越高。由于电池容量及技术方面的改进步伐非常缓慢，工程师面临两项主要挑战。首先，他们必须适应这种结合了许多功能的高集成度；其次，他们必须提供长的电池使用时间。

除了功能剧增，手机用户的另一项强烈要求在于外形尺寸。消费者既不希望牺牲电池使用时间，也不希望集成额外功能而影响手机尺寸和外形尺寸。

为了应对这些挑战，最佳的策略就是在主芯片组中集成越来越多的功能，从而产生双芯片或三芯片方案，并配有集成的电源管理集成电路(PMIC)。PMIC除了为手机供电，还可以集成所需的全部模拟功能，如电池充电器、USB OTG收发器、音频信号处理及放大、白光发光二极管(LED)驱动器，以及比较器和用于键盘背光的电源驱动器。这种方法的主要优势是简化设计，将控制电源所需的资源减至最少(仅双线式I2C总线能够控制整个电源管理单元)，并将外形尺寸和经济限制保持在可控范围之内。显而易见，这种方法优势多多，是应对这些挑战的主要方案。

然而，尽管PMIC中集成了越来越多的电源功能，但随着新一代手机的出现，集成度相对较低的电源转换IC的需求也增加了。

图，应用处理器电源子系统IC示例

这需求增加的原因非常简单：仅使用标准方案，不尝试与其它产品形成差异化——手机制造商推动手机成为提供标准功能的标准设备。这对那些对技术越来越敏感及越来越需要新功能的消费者来说，真的是不如人意。这样一来，手机制造商必须将他们与竞争对手区分开来，并利用会吸引消费者喜好的新功能来提供不同之处。这就是我们所谓的“差异化”。这就驱使设计人员增加并未集成在基本芯片组中的特别功能，而这可能需要额外的应用处理器，并可能需要额外的电源系统。

另外一项能够解释这种需求增加趋势的因素，是开发周期时间越来越短。一方面，市场对新功能的需求推动开发周期时间越来越快；但另一方面，开发集成这些新功能的新芯片组需要经年累月的时间。在当今这个快速变化的市场，工程师肯定不会坐等新芯片组的上市，并会选择独立IC及应用处理器。

下面部分的讨论将从电源架构系统角度，展示电源设计段如何导致不同的架构及不同的IC选择。

确定“电源域”

确定系统的电源管理方案并不简单，设计人员必须留神，从而提供让人能够接受的电池使用时间。虽然手机集成度越来越高，功能越来越丰富，但大多数功能处于关闭或休眠模式。实际上，用户在观看电影或电视时，MP3播放器功能应当关闭。设计人员通过确定各项功能应当何时及为何开启，就可以定义电源域(power domain)。例如，用户使用蓝牙语音通信功能时，所有与语音有关的信号处理都由蓝牙模块来操作。在这种情况下，主基带中的语音处理功能应当关闭。据此应该能够获得“蓝牙语音通信电源域”定义、功率需求(应该开启的电源模块)及功率预算。这第一级的规范将帮助确定手机应当设计多少个电源系统，以及一定程度的功率间隔度。

根据应用中要求的电源管理水平，每个电源域可以再划分为不同的“子电源域”。最后，这个非常重要的设计段将帮助确定手机工作需要的是哪些不同及独立的电源稳压器。

确定稳压器

跟电源域研究不同，稳压器的确定相当简单。设计人员必须针对前一个电源设计段中确定的各个功率间隔度，选择DC-DC转换器或低压降(LDO)稳压器。

这里的选择主要由需要供电的稳压器的功能决定。现在一般的共识是，为了给高耗电的应用处理器供电，工程师除了使用电感型DC-DC转换器之外，别无选择。这类DC-DC转换器具有高于90%的转换效率，以及低散热、小尺寸和少外部元件数量等特性。但另一方面，射频及噪声敏感型功能的模拟电源(Vcc)可能仍需要使用低噪声的LDO。

在这个电源设计段的最后，设计人员应当确定电源系统应该含有多少数量的独立电压轨(voltage rail)、各个稳压器所选择的类型，以及电源系统应该给负载提供的最大电流。

确定先进的电源管理功能

处理器内核的供电电流会随着时钟频率及电压而变化。如果忽略直流泄漏电流，功率耗散近似值由公式PD=CV2f(其中C为各个时钟周期开关的电容，V为电压，f为频率)确定。虽然由于集成芯片并不仅使用CMOS电路的缘故，这个等式并不是非常精确，但功率耗散还是随着电压的平方及随着频率而线性减少。这个简单的公式可定义动态电压调节(DVS)和动态频率调节(DFS)技术。典型的应用处理