電源管理芯片

1、便攜產(chǎn)品電源管理芯片的設(shè)計(jì)技巧    隨著便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄,對(duì)電源管理芯片也提出更高的要求,諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等.本文探討了在便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意的各方面問題.    便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維,在開發(fā)手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產(chǎn)品時(shí),如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配架構(gòu)等.同樣,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮.例如,現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器一般都設(shè)有幾種不同的工作狀態(tài),

2、通過一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對(duì)電池容量的消耗.當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí),處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式.    從便攜式產(chǎn)品電源管理的發(fā)展趨勢(shì)來看,需要考慮以下幾個(gè)問題:1. 電源設(shè)計(jì)必須要從成本、性能和產(chǎn)品上市時(shí)間等整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來考慮;2. 便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄化,必需考慮電源系統(tǒng)體積小、重量輕的問題;3. 選用電源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗,突破散熱瓶頸,延長(zhǎng)電池壽命;4. 選用具有新技術(shù)的新型電源芯片進(jìn)行方案設(shè)計(jì),這是保證產(chǎn)品先進(jìn)性的基本條件,也是便攜產(chǎn)品電源管理的永恒追求. 

3、   便攜產(chǎn)品常用電源管理芯片包括:低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、非常低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)、基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC轉(zhuǎn)換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器Buck-Boost)、基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護(hù)IC.    選用電源管理芯片時(shí)應(yīng)注意:選用生產(chǎn)工藝成熟、品質(zhì)優(yōu)秀的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品;選用工作頻率高的芯片,以降低周邊電路的應(yīng)用成本;選用封裝小的芯片,以滿足便攜產(chǎn)品對(duì)體積的要求;選用技術(shù)支持好的生產(chǎn)廠家,方便解決應(yīng)用設(shè)計(jì)中的問題;選用產(chǎn)品資料齊全、樣品和DEMO易于申請(qǐng)、能大量供貨的芯片;選用性價(jià)

4、比好的芯片.    LDO線性低壓差穩(wěn)壓器    LDO線性低壓差穩(wěn)壓器是最簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器,由于其本身存在DC無開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換,所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓.它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值.    LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個(gè)MOSFET加一個(gè)過流檢測(cè)電阻組成,肖特基二極管作反相保護(hù),輸出端的分壓電阻取出返饋電去控制MOSFET的流通電流大小,EN使能端可從外部去控制它的工作狀態(tài),內(nèi)部還設(shè)置過流保護(hù)、過溫保護(hù)、信號(hào)放大、Power-OK、基準(zhǔn)源等電路

5、,實(shí)際上LDO已是一多電路集成的SoC.LDO的ESD>4KV,HBM ESD>8KV.    低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡(jiǎn)單方便,一般在輸入、輸出端各加一個(gè)濾波電容器即可.電容器的材質(zhì)對(duì)濾波效果有明顯影響,一定要選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器.    LDO布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波,如何走好線是一個(gè)技巧加經(jīng)驗(yàn)的工藝性細(xì)活,也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一.圖1說明了如何設(shè)計(jì)走線電路圖,掌握好電流回流的節(jié)點(diǎn),有效的控制和降低噪音和紋波.優(yōu)化布線方案是值得參考的. 

6、60;  圖1:LDO布線電路方案    如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的3.6V,在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓,那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%,因此在手機(jī)中產(chǎn)生一些發(fā)熱點(diǎn),并縮短了電池工作時(shí)間.雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言,確實(shí)存在這些缺點(diǎn),但是當(dāng)電壓差較小時(shí),情況就不同了.例如,如果電壓從1.5V降至1.2V,效率就變成了80%.    當(dāng)采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內(nèi)核供電時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢(shì)了.實(shí)際上,開關(guān)穩(wěn)壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V,因?yàn)闊o法完全

7、提升MOSFET(無論是在片內(nèi)還是在片外).LDO穩(wěn)壓器也無法完成這個(gè)任務(wù),因?yàn)槠鋲翰钔ǔ８哂?00mV.    理想的解決方案是采用一個(gè)VLDO穩(wěn)壓器,輸入電壓范圍接近1V,其壓差低于300mV,內(nèi)部基準(zhǔn)接近0.5V.這樣的VLDO穩(wěn)壓器可以很容易地將電壓從1.5V降至1.2V,轉(zhuǎn)換效率為80%.因?yàn)樵谶@一電壓上的功率級(jí)通常為100mA左右,那么30mW的功率損耗是可以接受的.VLDO的輸出紋波可低于1mVP-P.將VLDO作為一個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波.    開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器 

8、60;  開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器按其功能分成Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、Boost開關(guān)式DC/DC升壓穩(wěn)壓器和根據(jù)鋰電池的電壓從4.2V降低到2.5V能自動(dòng)切換降升壓功能的Buck-Boost開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器.當(dāng)輸入與輸出的電壓差較高時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題.它通過使用低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的效率,因此極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失.    Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器是一種采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu),內(nèi)置主(P溝道MOSFET)和同步(N溝道MOSFET)開關(guān).PWM控制的振蕩器

9、頻率決定了它的工作效率和使用成本.選用開關(guān)頻率高的DC/DC可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量,如超過2MHz的高開關(guān)頻率.開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)較小,通?？梢杂煤玫脑O(shè)計(jì)技術(shù)來克服.但是電感器的頻率外泄干擾較難避免,設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)對(duì)其EMI輻射需要考慮.    圖2給出了Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì),需要注圖中粗線的部分:粗線是大電流的通道;選用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品質(zhì)優(yōu)良、低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器;在應(yīng)用環(huán)境溫度高,或低供電電壓和高占空比條件下(如降壓)工作,要考慮器件的降溫和散熱.必須注意:S

10、W vs. L1距離<4mm;Cout vs. L1距離<4mm;SW、Vin、Vout、GND的線必須粗短.    要得到一個(gè)運(yùn)作穩(wěn)定和低噪音的高頻開關(guān)穩(wěn)壓器,需要小心安排PCB板的布局結(jié)構(gòu),所有的器件必需靠近DC/DC,可以把PCB板按功能分成幾塊,如圖3所示.1. 保持通路在Vin、Vout之間,Cin、Cout接地很短,以降低噪音和干擾;2. R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠近VFB反饋腳,以防噪音;3. 大面積地直接聯(lián)接2腳和Cin、Cout的負(fù)端.    圖2:Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì) 

11、;   DC/DC應(yīng)用舉例:1. APS1006為MCU/DSP核(Core)供電;2. APS1006應(yīng)用于電子礦燈(圖3);3. APS1046應(yīng)用于0.8-1.8微硬盤供電(圖4);4. APS1006、APS4070應(yīng)用于智能手機(jī)(圖5).    圖3:APS1006應(yīng)用于電子礦燈    圖4:APS1046應(yīng)用于0.8-1.8微硬盤供電    圖5:APS1006、APS4070在智能手機(jī)上的應(yīng)用    電荷泵及其應(yīng)用技巧  

12、  電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量.電荷泵是無須電感的,但需要外部電容器.工作于較高的頻率,因此可使用小型陶瓷電容(1F),使空間占用最小,使用成本低.電荷泵僅用外部電容即可提供±2倍的輸出電壓.其損耗主要來自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS(ON).    電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感,因此其輻射EMI可以忽略.輸入端噪聲可用一只小型電容濾除.它輸出電壓是工廠生產(chǎn)時(shí)精密予置的,調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的,因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級(jí)數(shù),以便為

13、后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間.電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì).從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,它實(shí)際上是一個(gè)片上系統(tǒng).    電荷泵是一種無幅射的有效升壓器件,它不使用電感器而使用電容器作為儲(chǔ)能器件.在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要注意電容器的容量和材質(zhì)對(duì)輸出紋波的影響.外部電容器的容量關(guān)系到輸出紋波,在固定的工作頻率下,太小的電容容量,將使輸出紋波增大.輸出紋波大小與電容器材料介質(zhì)有關(guān),外部電容器的材料類型關(guān)系到輸出紋波.同一電荷泵,使用相同的容量和尺寸而不同材料類型的電容器,輸出紋波的結(jié)果.在工作頻率固定,電容器容量相同的情況下,優(yōu)良的材料介質(zhì),將有效地降低紋波.選用低ES

14、R的X7R & X5R陶瓷電容器是一種比較好的選擇.    LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量較大的產(chǎn)品,在有限的PCB面積上,需要按裝LCD屏、數(shù)碼相機(jī)的鏡頭和閃光燈、音頻DAC等器件,因此它需要封裝很小的多芯片組合的電源模塊(MCM),以減小電源IC所占PCB的面積,而手機(jī)產(chǎn)品又要求這些電源IC對(duì)RF幾乎無干擾.    電池充電管理芯片和鋰電池保護(hù)IC    鋰電池充電IC是一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC),它由讀取使能微控制器、2倍涓流充電控制器、電流環(huán)誤差放大器、

15、電壓環(huán)誤差放大器、電壓比較器、溫度感測(cè)比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動(dòng)器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號(hào)發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開機(jī)復(fù)位、欠電壓鎖定、過流/短路保護(hù)等十多個(gè)不同功能的IC整合在一個(gè)晶元上.它是一個(gè)高度集成、智能化芯片.鋰電智能充電過程:涓流充->恒流充->恒壓充->電壓檢測(cè),因此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要做到:充分保護(hù)、充分充電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制.    鋰電池保護(hù)電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的,它由一顆鋰電池保護(hù)IC和二顆MOSFET組成.在圖6中,OD代表過放電控制;OC代表過充電控制;P+、P-接充電器;B+、

16、B-接鋰電池.鋰電池保護(hù)電路簡(jiǎn)單工作原理如下:正常裝態(tài)M1、M2均導(dǎo)通;過充電時(shí)M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充電,實(shí)現(xiàn)過充電保護(hù);充電電流方向P+->P-;過放電時(shí)M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充放電,實(shí)現(xiàn)過放電保護(hù);放電電流方向P- ->P+.    圖6:鋰電池保護(hù)電路    鋰電池保護(hù)電路的PCB板是很小的,設(shè)計(jì)時(shí)必須注意:1. MOSFET盡可能接近B-、P-;2. ESD防護(hù)電容器盡可能接近P+、P-;3. 相鄰線間距>0.25mm,通過電流大的線要放寬,地線加寬.電源管理

17、芯片的低功耗OMAP系統(tǒng)設(shè)計(jì)    隨著半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制作工藝技術(shù)的不斷提高,電路板上的期間運(yùn)行速度將更快,體積將更小.供電系統(tǒng)要求更多的種類的電壓、更低的供電電壓和更大的供電電流電源設(shè)計(jì)不再僅僅局限于提供電流、電壓和監(jiān)控溫度,還必須診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個(gè)輸出電壓參數(shù).普通的模擬解決方案難以滿足這些需求.數(shù)字電源的目標(biāo)就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理用數(shù)字方法集成到單個(gè)芯片中,實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、控制和通信.    數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性,具備直接監(jiān)視、處理及適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力.數(shù)字電源還可通過遠(yuǎn)程診斷確

18、保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性,實(shí)現(xiàn)故障管理、過壓過流保護(hù)、自動(dòng)冗余等功能.但是數(shù)字電源不比傳統(tǒng)的模擬電源效率更高,而且成本一般較高.目前數(shù)字電源需要大濾波器,這使其工作效率比模擬電源低.    本文介紹一種在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)OMAP5912上使用簡(jiǎn)單的數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的方法.使用TI公司的電源轉(zhuǎn)換和電壓監(jiān)控芯片TPS65010實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP系統(tǒng)各種狀態(tài)的檢測(cè).在不同狀態(tài)下輸出不同的供電電壓,減小供電電流,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行.該設(shè)計(jì)方法適用于各種低功耗要求的手持電子設(shè)備.    TPS65010是TI公司推出的一款針對(duì)

19、鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理芯片.TPS65010集成了2個(gè)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器Vmain和Vcore、2個(gè)低壓差電源轉(zhuǎn)換器LD01和LDO2以及1個(gè)單體鋰離子電池充電器,非常適合手持電子設(shè)備的應(yīng)用要求.當(dāng)12 V直流電源適配器接通時(shí),芯片無需開關(guān)電路.在實(shí)際使用中,Vmain可以提供2.53.3 V電壓,Vcore可以提供O.81.6 V電壓,LD01和LDO2可以提供1.86.5 V電壓.各個(gè)不同電壓下的電流一般可以達(dá)到400 mA,滿足大部分手持設(shè)備的需求.可以通過I2C總線對(duì)TPS65010的各種寄存器進(jìn)行設(shè)置,也可以通過通用的引腳將重要的信息通知TPS65010,例如可以通過LOW_PO

20、WER引腳使TPS65010輸出低功耗模式下的工作電壓.    OMAP5912是TI公司推出的嵌入式DSP,具有雙處理器結(jié)構(gòu),片內(nèi)集成ARM和C55系列DSP處理器.TI925T處理器基于ARM9核,用于控制外圍設(shè)備.DSP基于TMS320C55X核,用于數(shù)據(jù)和信號(hào)處理,提供1個(gè)40位和1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元(ALU).由于DSP采用了雙ALU結(jié)構(gòu),大部分指令可以并行運(yùn)行,工作頻率達(dá)到150 MHz,并且功耗更低.C55和ARM可以聯(lián)合仿真,也可以單獨(dú)仿真.    OMAP5912內(nèi)部專門配置了超低功率設(shè)備(Ultra Low P

21、ower Device,ULPD).ULPD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.    從圖1可以看出,ULPD模塊主要由復(fù)位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式狀態(tài)機(jī)組成.片內(nèi)ULPD和OMAP5912芯片內(nèi)部的復(fù)位產(chǎn)生模塊以及芯片IDLE和喚醒狀態(tài)控制器相連接.片外ULPD的復(fù)位管理器負(fù)責(zé)檢測(cè)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位,并將片內(nèi)的復(fù)位信號(hào)輸出;FIQ管理器專門用于檢測(cè)電池電壓,一旦出現(xiàn)電池電壓低于或高于系統(tǒng)要求,或者電池電源質(zhì)量不高(紋波較大、過沖較大、瞬間脈沖較大)等,FIQ管理器將中斷系統(tǒng)工作;睡眠模式狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)和輸出不同的工作方式,在不同的工作方式下將提供不同的電壓和電流,

22、從而降低系統(tǒng)功耗.共有3種睡眠模式:正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式.    2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)    較完整的手持設(shè)備系統(tǒng)主要由OMAP5912、TPS6501O、AD/DA、LCD、SDRAM、人機(jī)接口以及Flash組成.其硬件連接如圖2所示.圖中,DSP是核心控制單元;AD用于采集模擬信號(hào),并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào);DA將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào);人機(jī)接口主要包括鍵盤接口.Flash保存DSP所需的程序,供DSP上電調(diào)用.此外,使用DSP的HPI接口連接到PC機(jī).    TPS

23、65010和OMAP5912的連接是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,具體硬件連接如圖3所示.TPS650lO可以提供OMAP5912所需的各種電壓,但是核心運(yùn)算單元需要的CVDDA以及重要外設(shè)需要的DVDD4由TPS7620l從Vmain電壓轉(zhuǎn)換得到.具體的TPS76201的硬件連接如圖4所示.TPS7620l將Vmain的3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.6 V提供給OMAP,只要Vmain的電壓不低于1.8 V,TPS76201都將穩(wěn)定地輸出1.6 V電壓,以確保OMAP在任何情況下,即使是深度睡眠狀態(tài),核心運(yùn)算單元和重要的外設(shè)都有穩(wěn)定的電源保證.注意,如果不要求OMAP系統(tǒng)的低功 耗設(shè)計(jì),CVDDA和 D

24、VDD4可以直接連接到Vcore.    TPS65010的Vcore輸出1.6 V電壓提供給OMAP的其他核,這些核電壓在低功耗狀態(tài)下均可以降低到1.1 V.TPS65010的VLDO1和VLDO2輸出2.75V電壓提供給OMAP的其他外設(shè),這些電壓和常規(guī)的3.3 V存在一定的電壓差,但不影響數(shù)據(jù)傳輸.一般情況下,高電平只要達(dá)到2 V以上就可以了;低功耗狀態(tài)下,VLDO1和VLDO2都降低到1.1 V.使用2個(gè)LDO給不同的外設(shè)提供電壓,是為了在Big Sleep狀態(tài)下關(guān)閉某些外設(shè)并同時(shí)能夠使能其他外設(shè).如果不進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì),可以使用同一個(gè)LDO提供電壓.

25、60;   TPS65010的I2C總線連接到OMAP,便于OMAP對(duì)TPS65010的寄存器進(jìn)行設(shè)置.TPS65010的RESPWRON引腳連接到OMAP的Power_Reset引腳,上電復(fù)位后由TPS65010復(fù)位OMAP;TPS65010的LOWPWR引腳連接到OMAP的LOW_PWR引腳,OMAP進(jìn)入低功耗狀態(tài)由該引腳通知TPS65010,TPS65010將設(shè)定的各種電壓降低,從而降低系統(tǒng)功耗.    4 OMAP5912的低功耗軟件設(shè)計(jì)    OMAP5912有3種工作模式,分別為正常工作模式、Big S

26、leep模式和Deep Sleep模式.正常工作模式下,使能所有的內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘以及引腳,此時(shí)系統(tǒng)功耗最大,TPS650lO也按照正常工作方式供電.低功耗模式下,隨時(shí)判斷是否有芯片IDLE請(qǐng)求,如果有則進(jìn)入Big Sleep模式.在Big Sleep模式下,進(jìn)一步判斷是否有外部時(shí)鐘請(qǐng)求,并根據(jù)情況進(jìn)入Deep Sleep模式.    在系統(tǒng)正常工作方式下,如果不需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì),以上軟件無需加入到應(yīng)用程序中.進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時(shí),就需要對(duì)OMAP的各種工作狀態(tài)進(jìn)行判斷,要在應(yīng)用程序中加入LOW_PWR信號(hào)使能、關(guān)閉DSP核、激活并設(shè)置喚醒事件、關(guān)閉ARM核、激活

27、并設(shè)置深度睡眠等軟件代碼.    5 總 結(jié)    本文詳細(xì)介紹了基于TPS65010和OMAP5912的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì).使用TPS65010的多個(gè)電源輸出引腳給OMAP的不同單元供電,以便在OMAP的不同工作模式下改變電壓輸出,降低系統(tǒng)功耗.OMAP根據(jù)自身的軟件運(yùn)行情況,隨時(shí)調(diào)整工作模式,并通知TPS65010,使得軟件和硬件在低功耗設(shè)計(jì)上得到互通.該設(shè)計(jì)方法適用于各種對(duì)功耗要求較高的電子設(shè)備.高級(jí)電源管理芯片F(xiàn)S1610及其應(yīng)用    Fsl610是一款采用專利數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的高級(jí)電源管理控制器件,該

28、器件可為數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、個(gè)人PDA和筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備提供完全可編程的電源系統(tǒng)解決方案.與傳統(tǒng)的電源管理方法相比,FSl610能節(jié)約2040%的PcB面積,此外,其完全可編程的專利數(shù)字技術(shù).還能極大縮短研發(fā)周期.加快產(chǎn)品上市進(jìn)程.    1 FSl610的主要功能    IS1610內(nèi)部的電壓檢測(cè)主要針對(duì)的是FSl610芯片的供電輸入,而器件的輸出則包括8個(gè)高效開關(guān)電源和3個(gè)低功耗LDO,表l所列是其電源輸出列表.需要注意的是,FSl610的輸出電壓和電流都會(huì)受到輸入電壓、電感、電容以及外部諸多元件因素的影響. 

29、60;  l 1電源輸出    FSl610提供有8個(gè)開關(guān)電源.3個(gè)LDO電源和1個(gè)始終開啟的電源.對(duì)這些電源輸出的控制一般有三種方式:其一是通過外部的PWREN使能輸人引控制;其二是通過串行命令在使用過程中根據(jù)具體情況進(jìn)行控制;第三則是按照EEPROM中的設(shè)置程序來執(zhí)行.    FS1610的電源輸出主要用于降壓轉(zhuǎn)換、升壓轉(zhuǎn)換、白光LED驅(qū)動(dòng)、低壓差穩(wěn)壓、負(fù)升壓轉(zhuǎn)換和電池供電等.圖I所示是用FSl610來驅(qū)動(dòng)白光LED的驅(qū)動(dòng)電路.    1.2電源輸入    FS

30、l610的供電電壓范圍是2.85.5 v.圖2所示是S1610的供電輸人以及AC適配器和電池之間的切換電路.其中VMAIN為主電池比較器輸入,用來直接監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài);VIN為主電源供電輸入;DBOUT用于斷開電池的輸出,將它連接到一個(gè)外部的P通道MOSFET,可當(dāng)檢測(cè)到電池的無電狀態(tài)(DB)或者AC適配器有輸入時(shí),由該輸出置位斷開電池和主電源的連接;BATBU為備用電池輸人,一般情況下,為了能使芯片正常操作,在BATBU輸入引腳上一定要有電壓;VBAT為始終開啟的供電輸出,可由內(nèi)部開關(guān)控制,當(dāng)SW2有效且穩(wěn)定時(shí),可將SW2連接到VBAT來提供電壓;否則由BATBU給VBAT提供電壓. 

31、;   1 3其他功能    FSl610內(nèi)有一個(gè)非易失存儲(chǔ)器NVM(EEPROM),可用于保存啟動(dòng)的配置信息,這些信息包括通道電壓、通道使能,禁止、個(gè)電源的開關(guān)順序以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗、中斷等信息.    FSl610可通過晶體時(shí)鐘提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘的操作.而其可編程報(bào)警器則可向CPU發(fā)出中斷.FSl610片內(nèi)還集成有一個(gè)看門狗定時(shí)器,可通過EEPROM編程設(shè)置,其定時(shí)時(shí)間達(dá)32s,時(shí)間間隔是1ms.但是,由于達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí),芯片就會(huì)復(fù)位,所以,為了避免這種情況的發(fā)生,主機(jī)必須在程序設(shè)置的定時(shí)周期結(jié)束之前,對(duì)WDT進(jìn)行

32、復(fù)位.    FSl610應(yīng)由32.768 kHz晶振、或者具有合適的頻率和電壓的時(shí)鐘源來為芯片提供內(nèi)部時(shí)鐘.而器件的CLKOUT輸出引腳則能為外部提供32.768 kHz的輸出.FSl610的nEXTON開關(guān)輸人端一般連接到瞬間接觸開關(guān)上,可用來控制芯片的開/關(guān).FSl610分別為不同類型的處理器設(shè)計(jì)有兩個(gè)復(fù)位輸出nIRSTO和nRSTO,而手動(dòng)復(fù)位輸入nRSTI則主要用來啟動(dòng)一個(gè)硬件復(fù)位,以作為主機(jī)CPU的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào).    FSl610在需要的情況下可提供中斷,并向主機(jī)發(fā)出警報(bào).這些警報(bào)包括低電壓,電源通道故障,RTC警報(bào)等.

33、同時(shí)可以通過串行命令來對(duì)中斷進(jìn)行操作.    2 Fsl610的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理    圖3是FSl610模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖.由圖可見,FSl610以電源管理控制器為核心,可為外部設(shè)備提供豐富的電源通道.另外,配合電源管理.FSl610還提供有非易失性存儲(chǔ)器NVM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、看門狗定時(shí)器WDT、中斷、復(fù)位等系統(tǒng)控制模塊.    3工作模式    FS1610有兩種操作模式,分別為串行模式和獨(dú)立模式.FSl610芯片片可通過I2C、SPI和ART串口來接受主機(jī)的控制和管理,

34、也可以在啟動(dòng)后根據(jù)EEPROM加載的參數(shù)獨(dú)立工作.低功耗是FSl610的最突出優(yōu)勢(shì)之一.該芯片上的各個(gè)功能模塊在不需要操作時(shí)都可以關(guān)閉.已進(jìn)人休眠狀態(tài).FSl610會(huì)根據(jù)不同的環(huán)境條件在5種電源狀態(tài)下自動(dòng)切換,以使功耗最小化.這5種狀態(tài)分別為:無電(NOPOWER)狀態(tài)、關(guān)斷(SHUTDOWN)狀態(tài)(即SD狀態(tài))、就緒(READY)狀態(tài)、工作(ACTIVE)狀態(tài)、低功耗(LOWPOWER)狀態(tài).    設(shè)計(jì)時(shí).可以對(duì)FS31610的多路電源進(jìn)行靈活的配置和控制.除了對(duì)單個(gè)電源通道的開/關(guān)操作之外.還可以對(duì)電源通道進(jìn)行分組,然后對(duì)各電源組進(jìn)行操作.電源的啟動(dòng)和關(guān)閉順

35、序,也可以設(shè)置存儲(chǔ)在EEPROM中,以便主機(jī)在操作的過程中來控制.    FSl610對(duì)芯片提供有可能出現(xiàn)的各種故障的監(jiān)測(cè)和管理.這些監(jiān)測(cè)包括:受監(jiān)測(cè)電源正常狀態(tài)、電源通道故障、電池電壓和備用電池監(jiān)測(cè)、熱關(guān)斷、中斷.此外,FS1610芯片還可根據(jù)EEPROM中的設(shè)置,對(duì)監(jiān)測(cè)到的不同狀態(tài)進(jìn)行不同的操作.    4基于FSl6l0的導(dǎo)航儀供電系統(tǒng)    FSl610的多電源輸出和電源管理功能在便攜式設(shè)備中應(yīng)用非常方便.圖4是FSl610電源管理控制芯片在基于Sumsang公司的ARM9處理器S3C2440的導(dǎo)

36、航儀上的供電電路.    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,該導(dǎo)航儀除了具有基本的GPS導(dǎo)航功能外.還需要高分辨率的液晶屏支持.為此,該系統(tǒng)選用的是LCD模塊,該模塊是已經(jīng)包含了背光和控制電路的液晶屏,但需要+3.3 v和+5 v供電.表2所列出是該導(dǎo)航儀系統(tǒng)的電源需求.    由于該導(dǎo)航儀通常是采用電池供電,故需要最小化的功率消耗,而且要求各外設(shè)都要由系統(tǒng)控制.在圖4中用FSl610對(duì)導(dǎo)航儀系統(tǒng)進(jìn)行供電的電源分配方案中,需要注意的是,LCD背光需要400mA電流的+5v供電,而FSl610的升壓電路不能提供這么大的電流,因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用一個(gè)外加的

37、升壓電路來提供LCD的背光電源.    5結(jié)束語    本文介紹了高級(jí)電源管理控制芯片F(xiàn)S1610的原理和功能,給出了一個(gè)FSl610在基于ARM9處理器S3C2440設(shè)計(jì)的導(dǎo)航儀上的應(yīng)用方案.采用該方案進(jìn)行供電的導(dǎo)航儀,不但可以自由控制各個(gè)模塊電源的開和關(guān),而且可以在不需要的時(shí)候關(guān)閉模塊,以便最小化整個(gè)系統(tǒng)的功耗.與傳統(tǒng)的方法相比,選用FSl610不但可以明顯節(jié)省電路板面積.提供更多的通道電壓.而且控制也更加靈活電源管理芯片在以太網(wǎng)供電中的應(yīng)用    什么是以太網(wǎng)供電?   

38、; 術(shù)語"以太網(wǎng)"是指 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的各種局域網(wǎng) (LAN) 系統(tǒng).以太網(wǎng)協(xié)議是在工作場(chǎng)所,通過高速數(shù)據(jù)電纜將臺(tái)式 PC 與中央文件服務(wù)器連接起來的協(xié)議.任何連接到以太網(wǎng)端口的設(shè)備,如數(shù)據(jù)終端、無線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) (web cam) 或網(wǎng)絡(luò)電話等,都需要通過電池或獨(dú)立 AC 插座為自己供電.而更為優(yōu)雅的方法則是能夠向連接到以太網(wǎng)的任何設(shè)備同時(shí)傳輸電源和數(shù)據(jù).如果這種傳輸方式能夠利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線,則可以保持 100% 的歷史兼容性,那將再好不過了.這正是 IEEE802.3af 規(guī)范中定義的以太網(wǎng)供電 (PoE) 標(biāo)準(zhǔn)所提供的內(nèi)容.這一新標(biāo)準(zhǔn)于 200

39、3 年 6 月由 IEEE 批準(zhǔn),是通過以太網(wǎng)發(fā)送和接收電源信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn).PoE 的優(yōu)點(diǎn)在于:    由于每個(gè)設(shè)備只需要一組連線,因此每個(gè)設(shè)備的布線更為簡(jiǎn)單和便宜;    免去了 AC 插座和適配器,使工作環(huán)境更安全、整潔,成本也更 低;    可輕易地將設(shè)備從一處移至另一處;    無間斷電源可確保在 AC 電源    斷電時(shí)繼續(xù)為設(shè)備供電;可對(duì)連接到以太網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.    正是這些優(yōu)點(diǎn)使得以太網(wǎng)供電成為一

40、項(xiàng)從本質(zhì)上改變了低功耗設(shè)備供電方式的全新技術(shù).但就目前而言,推動(dòng) PoE 總有效市場(chǎng)增長(zhǎng) (TAM, Total Available Market) 的主力是兩類用電設(shè)備:無線 LAN 接入點(diǎn)和 VoIP(網(wǎng)絡(luò)語音)電話.至 2007 年,前者的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 為 38%,達(dá) 1500 萬個(gè)(來源:iSuppli),而支持后者的企業(yè)網(wǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 300 萬個(gè).對(duì)用電設(shè)備的這種需求反過來將推動(dòng)現(xiàn)有以太網(wǎng)交換機(jī)向支持 PoE 功能轉(zhuǎn)移的需求.這是通過使用"中繼"(midspan) 來實(shí)現(xiàn)的,如圖1所示.這些單元的增長(zhǎng)至 2007 年預(yù)計(jì)將達(dá)到 800 萬,增長(zhǎng)率為

41、68%.    在圖1的示例中,源頭的以太網(wǎng)交換機(jī)通過一個(gè)"中繼"以太網(wǎng)供電集線器將電源"注入"局域網(wǎng)的雙絞線電纜來提供 PoE 功能.新的以太網(wǎng)交換機(jī)將集成該"中繼",從而實(shí)現(xiàn)向通過高速數(shù)據(jù)電纜連接的用電設(shè)備 (PD) 供電.這些用電設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) (web cam)、網(wǎng)絡(luò)語音電話、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)和其他電器設(shè)備.不間斷電源 (UPS) 將提供備用電源,以防市電斷電.    電源管理器件用于轉(zhuǎn)換電壓和電流,可以用在以太網(wǎng)交換機(jī)中,以太網(wǎng)供電"中繼"

42、集線器中,以及位于用電設(shè)備中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換單元中.下面各段將對(duì)這些功能中的每個(gè)功能分別進(jìn)行討論.    電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用    最新的以太網(wǎng)交換機(jī)可以通過 24 或 48 個(gè)獨(dú)立端口向用電設(shè)備提供 PoE 連接性,并與非 PoE 系統(tǒng)保持歷史兼容.每臺(tái)用電設(shè)備均由其自己的48V電源供電,每臺(tái)用電設(shè)備的最大允許功耗為15.4W,以太網(wǎng)交換機(jī)可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備的用電單獨(dú)進(jìn)行管理.    IEEE802.3af PoE 規(guī)范最多允許在每臺(tái)用電設(shè)備處消耗大約 13W 的功率,而以太網(wǎng)交換機(jī)提供

43、的最大 15.4W 的功率是為了彌補(bǔ)長(zhǎng)電纜帶來的一定程度的損耗.48V 電源實(shí)際上允許在用電設(shè)備端使用36 57V 之間的任意電壓.電壓要求大約為最大開關(guān)電壓的 2 倍(應(yīng)對(duì)開關(guān)尖脈沖等的經(jīng)驗(yàn)法則),要求電源開關(guān)必須采用額定VDS為 100V的分立 MOSFET.    圖2 顯示了一個(gè)PoE控制器,通過分立 MOSFET控制四個(gè)端口.在該例中,使用的是飛利浦半導(dǎo)體公司的四個(gè) PHT4NQ10T 器件.這種配置相當(dāng)于每個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)或中繼采用 12 個(gè) IC 和 48 個(gè) MOSFET.到2007 年,用于"中繼"電源管理的 MOSFET的總有

44、效市場(chǎng)容量 (TAM) 將達(dá)到 5700 萬美元(3 億 8 千 4 百萬只),而IC將達(dá)到 4800 萬美元(9600 萬片).    PoE 控制器通常指的是"熱插拔"(Hot Swap) 控制器.這些 IC 的功能包括:    分別控制四個(gè)獨(dú)立的 PoE 端口;    檢測(cè)有效用電設(shè)備的連接; (使用低阻值的檢測(cè)電阻)監(jiān)測(cè)MOSFET 的穩(wěn)態(tài)電流;    當(dāng)一個(gè)用電設(shè)備第一次連接到個(gè)端口時(shí),控制浪涌電流和MOSFET功耗;  &#

45、160; 具備欠流斷開檢測(cè)功能以確定用電設(shè)備是否已斷開連接.    在正常工作情況下,當(dāng)一個(gè)端口已經(jīng)供電并且用電設(shè)備的旁路電容已經(jīng)充電到端口電壓時(shí),外部 MOSFET 的功耗非常低.這意味著較小的 MOSFET 就能完成這個(gè)功能.然而,IEEE802.3af 的其他要求,例如加電時(shí)的浪涌電流以及不兼容的用電設(shè)備連接到端口的風(fēng)險(xiǎn),要求 MOSFET 能承受很大的瞬態(tài)功耗.正是基于這些原因,才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案.    對(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)中的 MOSFET 的進(jìn)一步要求是其在關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流要非常低.IEEE802.3

46、af 要求每端口絕對(duì)最大漏電流不得高于 12 A,而且這個(gè)要求還包括了除 MOSFET 之外其他可能存在的保護(hù)電路的泄漏途徑.飛利浦半導(dǎo)體公司的 MOSFET 就是為滿足此項(xiàng)要求而設(shè)計(jì)的,其最大漏電流僅為 1 A.    電源管理器件在用電設(shè)備 (PD) 中的應(yīng)用    用電設(shè)備的框圖如圖 3 所示.來自以太網(wǎng)電纜的直流電源通過二極管橋式整流器恢復(fù),因此消除了用電設(shè)備電路電壓極性加反的可能性.當(dāng)一個(gè)設(shè)備連接到一個(gè) PoE 端口時(shí),以太網(wǎng)交換機(jī)就執(zhí)行一個(gè)"發(fā)現(xiàn)"程序以確定該設(shè)備是否為可接受以太網(wǎng)供電的設(shè)備,還是不支持

47、 PoE 的老式設(shè)備.當(dāng)用電設(shè)備斷開時(shí),也會(huì)執(zhí)行"發(fā)現(xiàn)"程序.之所以需要這個(gè)發(fā)現(xiàn)程序是因?yàn)楦唠妷?(48V) 連到許多傳統(tǒng)設(shè)備上會(huì)造成設(shè)備損毀.有鑒于此,當(dāng)電壓與已有的傳統(tǒng)設(shè)備兼容時(shí),就會(huì)執(zhí)行"發(fā)現(xiàn)"程序,只有在"發(fā)現(xiàn)"符合要求時(shí)才會(huì)提供高電壓直流電源.IEEE802.3af 的"發(fā)現(xiàn)"機(jī)制是基于特性阻抗的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)的.    通過確定從每個(gè)端口吸收的功率,供電設(shè)備 (PSE) 可輔助系統(tǒng)電源管理協(xié)議,根據(jù)系統(tǒng)供電的輸出能力,確定其所能支持的用電設(shè)備總數(shù).為了實(shí)現(xiàn)這種電源管理,IEEE

48、802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中加入了一種稱為"分類"的可選方法."分類"方法可以讓用電設(shè)備向以太網(wǎng)交換機(jī)或"中繼"集線器報(bào)告其最大功率需求,從而使電源管理協(xié)議能將未使用的功率分配給其他端口,充分利用已安裝的電源容量.    接口控制器的功能是作為用電設(shè)備電路主電路的"通斷開關(guān)",基于一個(gè) 100V 的 N 溝道 MOSFET 構(gòu)建.僅當(dāng)額定 48V 電源位于可接受容限以內(nèi)時(shí),接口控制器才會(huì)允許用電設(shè)備連接.此外,接口控制器通常還提供浪涌電流限制和故障電流限制功能.MOSFET 的浪涌性能則與上

49、面以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用中的 100V MOSFET 相當(dāng).    一旦"發(fā)現(xiàn)"過程完成,且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內(nèi)時(shí),接口控制器的 MOSFET 就會(huì)開啟,電源就施加到隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器.隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需能在用電設(shè)備前端和用電設(shè)備電路的其他部分之間提供 1500V 的隔離(這是一種安全特性),并向用電設(shè)備電路的其他部分提供一個(gè)或多個(gè)低壓直流電壓,最大總功耗為 13W.該轉(zhuǎn)換器的輸入額定電壓為 48V,采用通用的前向和返弛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).這是常用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu),與低功率電信電源極為相似.有多種控制器 IC 可以滿足這一

50、需求.如飛利浦半導(dǎo)體公司 GREENCHIPTM 系列中的開關(guān)電源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502.    據(jù) VDC 預(yù)測(cè),到 2007 年,高達(dá) 4.96 億個(gè)端口將采用電源管理芯片.由于并不是所有的端口都會(huì)被利用到,當(dāng)使用率為 50% 時(shí),用電設(shè)備的總有效市場(chǎng)容量將為 2.48 億.    小結(jié)    綜上所述,PoE 是一項(xiàng)將改變?cè)O(shè)備供電方式的全新技術(shù).假以時(shí)日,PoE 將成為很多設(shè)備所采用的普及技術(shù).正是電源管理器件(既包括 IC 也包括 MOSFET)成就了這種改變.基于電源

51、管理芯片VB409的無變壓器供電電源設(shè)計(jì)    在小型的MCU應(yīng)用系統(tǒng)中,采用AC 220V供電時(shí),一般要使用變壓器對(duì)電源進(jìn)行處理,將高壓交流電降到低壓后再進(jìn)行直流處理,或者將交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笤龠M(jìn)行高頻變換,以得到MCU系統(tǒng)的工作電源.這對(duì)于結(jié)構(gòu)沒有特殊要求的系統(tǒng),在設(shè)計(jì)上屬于常規(guī)的問題,使用上述的線性電源技術(shù)或者開關(guān)電源技術(shù),均能得到方便的解決.但是有些MCU應(yīng)用系統(tǒng)在體積上要求極其小巧,甚至不能安放變壓器,所以常規(guī)的電源處理就不能滿足其要求了.因此,使用能夠直接接收高壓交流電并將其直接變換成低壓直流的技術(shù),是最佳的設(shè)計(jì)選擇.VB409的出現(xiàn)有望實(shí)現(xiàn)這一設(shè)

52、計(jì)思路.    1 VB409概述    VB409是ST公司推出的電源處理產(chǎn)品.其PENTAWATTHV(022Y)封裝形式的產(chǎn)品大小與普通TO220封裝的7805相近,只是引出腳為5個(gè);還有一種PowerSO10封裝的產(chǎn)品是10腳表面貼裝式IC.輸入端可以直接接入AC 220 V,且輸入端允許的最高輸入電壓為AC 580 V.輸出部分有2個(gè): 一個(gè)是最終輸出OUTPUT1,為+5V;另一個(gè)是芯片的中間輸出OUTPUT2,典型值為16 V.對(duì)負(fù)載的供電能力為:OUTPUT1最大為80 mA,OUTPUT2最大為25mA.圖1為VB409的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.    圖1 VB409內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖    VB409采取的是導(dǎo)通角技術(shù),即在交流電的一個(gè)周期中,根據(jù)負(fù)載的電流大小,自動(dòng)調(diào)整每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間.也就是說,只在每個(gè)正周期的低壓部分,從電源吸收電能,