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