便攜媒體播放器的電源管理分組技術

最新的市場統計數據顯示，便攜式媒體播放器是目前發展最快的便攜式消費類電子終端設備。消費者希望在路上也能聆聽他們喜愛的音樂，欣賞視頻剪輯甚至電影。不過，消費者還希望獲得更多功能。即將推出的媒體播放器將集成 GPS 功能和音視頻廣播接收功能。

越來越多的器件功能對設計工程師提出了一些重大的技術挑戰。媒體播放器需要存儲并快速處理海量數據，提供高質量的音視頻重現功能。因此，電源管理已成為能否提供更長工作和待機時間的重要因素，關系到一種產品的商業成敗。

我們不妨來了解一下現代模擬電源管理系統的特性、性能折衷策略以及分組技術，該系統不僅能確保電池充電快速、安全，而且還可為便攜式媒體播放器的所有系統組件高效供電。

設計挑戰

不斷發展的消費者需求對技術提出了新的挑戰。音頻/視頻播放、游戲及全球定位系統 (GPS) 等功能都需要高效使用電池電量。設計時尚、小巧、用戶友好型器件要求采用極微小的集成電子與機械組件。

為了盡可能延長工作時間，設計人員必須正確選擇電池的化學特性與容量。精確的電池電量監測有助于避免系統過早關閉，并使系統充分利用電池可用電量。正確選擇功率轉換電路也決定著電池為系統供電的效率。

器件有著嚴格的尺寸要求，因此設計人員應在小而薄的封裝中采用集成元件，確保良好的功耗性能。雖然現代電源 IC 能在同一器件上集成數個電源通道，但我們必須了解系統的電源分組，以避免過度集成。在復雜的電子系統中，如果所有供電元件都集中在相同的位置，這樣會造成電源管理設備到實際負載點的線跡過長，從而會導致噪聲和散熱問題，進而延長開發時間。

創新型解決方案

處理設備居于便攜式媒體播放器(圖1)的核心地位，它通常結合了微控制器和數字信號處理內核，負責處理不同來源的音頻和視頻數據，并管理用戶界面。高質量音頻編解碼器確保對聲音信息的適當編碼和重現。視頻編碼器使便攜式媒體播放器能連接到外部監視器或電視機，適合大屏幕觀賞。顯示設備主要是彩色薄膜晶體管 (TFT) LCD 模塊，LCD 模塊通常包括行列視頻驅動器和實現背光功能的白光 LED 電源。

GPS 芯片組使播放器能用作便攜式 GPS 導航系統，而 FM 調諧器 IC 則能接收無線電廣播。

便攜式媒體播放器需要幾種類型的存儲設備和處理內存。處理器通常與閃存存儲器協同工作，并利用 EEPROM 存儲配置數據和操作系統。音頻和視頻數據可存儲在 SD 卡等移動存儲介質上，而內置硬盤驅動器通常可存儲較大的數據資料。

處理器、存儲器和led/' target='_blank'>顯示屏構成整體系統，需要不同的電壓軌和大量電力。我們必須高效管理電池，實現高效充電，盡可能提高電池到系統的電壓轉換效率。電池通常是一節鋰離子電池，電池容量根據整體用電需求在 1200 至 2000mAh 之間，充電電流應高于 1A。鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器能安全準確地給電池再充電，而精確的電池電量監測設備可確定充電狀態，并有助于系統最大限度利用任何可用電量。

數個電源轉換器將電池電壓轉換為系統電壓。3.3 V 的高電流電源軌可用于對帶有顯示控制器與背光功能的TFT LCD顯示模塊、高量漏極(HDD)、處理器 I/O 以及音頻編解碼器供電。處理引擎要求的內核電壓相對較低，1.2 或 1.8 V 即可。音頻與 RF 組件電源可能需要用線性穩壓器來實現穩壓輸出，以便濾掉開關轉換器紋波。

我們有必要更密切地關注一下電源管理系統的分組。通常人們會認為，與數字組件類似，電源系統也應盡可能集成。但這會帶來嚴重的問題。如果將線性電池充電器與功率轉換級集成，就會在集成度極高的板級空間造成散熱問題。此外，電池充電器通常靠近電池與 AC 適配器的連接處，而功率轉換級的理想位置是接近負載點，即處理系統。還有一點值得注意的是，不同型號的媒體播放器根據用途不同要求不同的充電器特性，但功率轉換系統都是一樣的。鑒于上述原因，最節約成本、設計也最方便的解決方案就是將電池管理與功率轉換分由不同的IC來完成，如圖 1 所示。這不僅有助于最大化設計靈活性，簡化布局與散熱管理，而且還能夠降低解決方案的總成本。

為了維護安全工作條件并最大化電池工作時間，電池充電器應確保鋰離子電池的充電過程符合制造商的規范。要實現這一目標，就要采用恒流恒壓 (CCCV) 的充電方案，并確保穩壓精度小于 1% ，以避免出現過度充電。我們應識別出剩余電量極低的電池，先以一定比例的最大充電速度給它充電，慢慢提高電池電壓，然后再進入快速充電模式。此外，充電器應通過專門的溫度傳感引腳 (TS) 測量電池的溫度，避免在 0 ℃～40℃ 范圍之外進行充電，從而盡可能延長電池的工作時間。

不管電源來自 USB 端口還是 AC/DC 墻上適配器，充電器都應對充電工作加以管理。就某些應用而言，充電 IC 的電力來自高壓前端 DC/DC，電池可直接從高壓電源進行充電，如轎車或卡車所用的電池就是這種情況。輸入引腳上的額定輸入電壓最大可達 18 V，這不僅能避免系統在DC 電源線路上出現過壓峰值，而且還能使用價格較低的非穩壓墻上電源。充電 IC 可以確定進入電池的實際充電電流和系統所用的電流。因此，電池充電和系統運行同時進行的情況下，充電過程也不會出現非正常終止問題。上述解決方案實現了動態的電源管理，在系統和電池間合理分配可用的 DC 輸入功率。如果系統電流上升，電池充電電流會自動降低，反之亦然，從而滿足整體供電量的要求。這有助于優化成本，使墻上電源也能滿足系統整體的平均用電需要，兼顧電池充電和應用運行，而不是必需采用滿足最嚴格用電條件的電源。

我們在微型的 3.5mm x 4.5mm QFN 封裝中集成了所有必需的充電控制和電源通道電源晶體管，從而使解決方案的整體尺寸達到了最小化。此外，我們還可使媒體播放器系統在電池充電器給電池充電的同時實現睡眠模式下工作。充電器將根據檢測到的最小電流終止充電，并提供可編程定時器，進一步提高安全性。

我們可用電池電量監測計來精確測定剩余電池電量，從而進一步改善電池管理。這樣，處理器就能有效采用低功耗模式，并在需要充電時提醒用戶，從而更好地管理媒體播放器的功耗。

媒體播放器的功率轉換主要是通過轉換 DC 穩壓器來實現功率效率最大化。我們認為，就穩壓工作而言，線性穩壓器解決方案具有體積小和成本低等優勢。這種解決方案成本較低，對低電流和低穩壓差分而言效率也比較高，但如果電流超過300mA 到 400mA 的話，就會因為功耗太高而需要占地很大且價格昂貴的散熱片。如果輸出電流較高且輸入至輸出的電壓差分很大，就會發生此類問題。假設我們用 3.6 V 的鋰離子電池提供 1.2 V 的內核電壓，線性穩壓器這時的工作效率只有 33%，電池電力大部分都變成散熱消耗掉了。DC/DC 轉換器的工作效率實際高達 90% 以上，其功耗僅為低降壓穩壓器 (LDO)消耗的一小部分。

圖 3 給出了同一 IC 封裝中采用幾個電源轉換器的高效集成式功率轉換機制實例。為使處理引擎采用低壓內核電源，主系統電壓為 3.3 V，我們采用帶 FET 的全集成同步 DC/DC 降壓轉換器來實現最大功率效率，并盡可能減少外部組件數。采用該解決方案時，無需使用占地較大的散熱片。相對 DC/DC 控制器解決方案而言，全集成的 DC/DC 轉換器采用片上轉換 FET 并實現內部補償機制。這就是說，設計工程師不必選擇外部晶體管，也不必采用昂貴而難用的設計軟件來分析補償與穩定條件。組件選擇非常方便，我們只需根據數據表單，采用推薦的電感器即可。

最多4個線性穩壓器為音頻、RF 及其他子組件提供低電流輔助電源，這有助于減少