用于移动微处理器的高性能、集成化电源 IC：并非仅适合便携式设备

作者：凌力尔特公司电源产品组  Sam Nork / 波士顿设计中心总监
Jeff Marvin / 伯灵顿设计中心经理
Steve Knoth / 高级产品市场工程师

背景
飞思卡尔 (Freescale)、英特尔 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微处理器，此类仍在不断发展壮大的微处理器专为给众多无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能处理而设计。这些产品的初衷是使原始设备制造商 (OEM) 能够开发出体积较小、成本效益性更佳并具有长电池使用寿命的便携手持式设备，同时提供增强型处理性能以运行多功能多媒体应用程序。近来，对这种高效率和处理性能组合的需求也扩展到了非便携式应用领域。汽车信息娱乐系统和其他嵌入式应用所要求的效率和处理能力水平与最新的高端便携式设备相似。然而在所有的场合中，为了正确地控制和监视微处理器的电源系统、并确保利用这些处理器有可能获得的所有效率提升均能够实现，高度专用的高性能电源管理伙伴 IC 将是必不可少的，这与应用无关。

要想在不增加系统功耗的情况下实现较高的处理能力，就必需在电流不断增大的条件下降低工作电压。便携式和嵌入式系统均包括多种专为在不同的电压条件下运作 (由于应用的需要或者加工工艺线宽的原因) 而优化的元件。最终的结果是：采用最新"便携式"处理器的系统将需要许多大电流、低电压轨 —— 通常为 1.8V 或更低。除了大量的低电压轨之外，很多此类应用还需要 3V 或 3.3V 电压轨，用于给大型便携式硬盘驱动器、存储器和外部逻辑电路的 I/O 电源等供电。在汽车或嵌入式应用中，所有与处理器直接相连的电源电压均可采用高效率降压型 DC-DC 或 LDO 来产生 (视电流要求而定)。

就便携式应用而言，主电源通常是一个大的单节锂离子/锂聚合物电池，它可以具有一个高于或低于产品中的 3.3V 系统电源的电压。此类应用 (例如：手持终端、条形码扫描仪、RFID 阅读器等) 需要一个降压-升压型电源以产生 3.3V 电压轨。这些"便携式"处理器系统 (不管是否采用电池供电) 的额外复杂性包括：必需以某种特定的次序对所有电源的接通和关断操作进行排序，而且要能够根据系统的处理要求动态地进行电源电压的上升/下降调节。对系统设计师而言，由单个集成化解决方案来满足所有微处理器及相关应用电路的电源需要是一项巨大的优势。如欲在众多的应用中处理这些要求，则需要一款高度灵活、可编程和高效的多输出电源解决方案。

设计挑战
降压-升压能力
当今的大多数新式多功能电子系统仍然需要 +3V 范围的电压轨，例如：用于给汽车信息娱乐系统中的 I/O 或某个外设电压轨供电。把同步降压-升压开关操作功能集成到电源管理 IC (PMIC) 之中将在整个输入电压范围内 (2.7V 至 5.5V) 实现 3.3V 稳压和高效率，从而增加操作裕度。然而，相比于简单的降压型 DC-DC 转换器，采用降压-升压型设计来实现高效率所面临的挑战要大得多，特别是在要求低噪声和上佳负载阶跃瞬态响应的场合。

作为许多汽车电源的起点，12V 汽车电池与这些系统所需要的低噪声、稳定电源相去甚远。除了噪声以外，这种 12V"电源"还会受到反向电池情况或负载突降的影响，在这些场合中电压有可能在 -36V 至 80V 的范围内变化，甚至出现尖峰。适合这些系统的理想电源必须保护其自身和应用电路免遭上述苛刻电气条件的损坏，同时提供稳定的低噪声输出电压。汽车环境中的散热条件同样具有挑战性；即使在 85°C 的环境温度下，PMIC 的结温也有可能接近 125°C，因而要求 -40°C 至 +125°C 结温范围内的电源稳定性和坚固的过热保护功能。鉴于这些严酷的条件，通常在给 PMIC 供电之前将该系统/电池电压预先调节至 3.3V 或 5V。在许多场合中，这些中间电源会由于冷车发动和严重噪声瞬变的原因而遭到毁坏。降压-升压型电源在这里同样具有优势，可确保与处理器系统相关联的 3.3V 关键电压轨不会触发上电复位。

减少热量，优化系统效率
许多业界标准 PMIC 都具有多种内置线性稳压器。不过，如果未借助充足的铜走线排布、散热器或良好设计的输入/输出电压和输出电流水平进行正确的管理，则线性稳压器有可能在 PC 板自身上产生局部"热点"。另一方面，当输入和输出电压的差异很大和/或输出电流很大时，开关稳压器则提供了一种更加有效的降压方法。在现今具有内置低电压微处理器的多功能设备中，PMIC的使用很普遍。因此，实现针对大多数电压轨的开关模式电源的必要性正日益提高。然而，LDO 却提供了低噪声输出和卓越的电源抑制比 (PSRR) 性能，所以必须对权衡结果进行评估。在许多情况下，正确的 IC 使用分配包括 DC/DC 和线性稳压器。