復雜的移動終端產品系統級電源管理設計方法

　　引言：要想繼續保持較長的電池壽命，就必須改善設備的電源管理設計，更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項技術中，同時又不犧牲技術性能。基于Smart Mirror專有架構的電源管理子系統IC就實現了一種系統級電源管理方法。

　　電池技術的進步以及業界對具有低工作電壓的多電源域的需求正在對便攜式電子設備的電源管理系統設計提出一些新的要求。

　　圖1：DA9025電源管理芯片。

　　在為手機、便攜式媒體播放器等電子設備中增加新功能時，要想繼續保持消費者已經習慣的待機時間長度，就必須改善設備的電源管理設計。隨著多媒體音頻、視頻和游戲功能的日益普及，不可避免地導致系統電池消耗增大。用戶并不會注意到這些影響，所以制造商有責任延長設備(例如手機)的待機時間，使其與上一代產品相當。

　　在電池的化學特性方面，大多數用戶和專業移動應用都選擇鋰離子或鋰聚合物這類基于鋰技術的電池，因為這類電池不但容量特性出色，而且能提供3.3V到4.2V的終端電壓范圍。為了最大程度地延長工作時間，IC電源電壓一直呈下降趨勢。

　　傳統上，設計人員可以在多個不同廠商生產的各種低集成度電源管理部件現貨中進行選擇，因而產品開發速度很快。但隨著系統日益復雜，需要控制的地方越來越多，例如，通過關閉不用的功能以優化電源效率，或者在同一塊IC上運行多電源時確保正確而穩定的操作。

　　復雜性提高更使得系統需要具備基本的電壓產生和調節功能。可通過給已用的部件增加額外元件來滿足這些要求，但這樣做難免會增加成本，更重要的是在很多情況下這會增大PCB面積。

　　因此必須更加注重如何將多種必要的電源管理功能集成到一項技術中，同時又不犧牲技術性能。例如，典型的手持設備中包含一塊鋰電池、主功能控制處理器、存儲器、外設(如顯示器)、內存擴展(SD或MMC卡等)，以及數據轉換或傳感器接口等模擬功能。

　　這種系統需具備多個不同的電源域，因為不同功能塊有不同的電源要求。處理器通常需要兩個電源，低壓用于內核以減小功耗，高壓用于連接其他設備。模擬功能需要較高的電源電壓，以保證足夠的工作余量或提供強大的輸出驅動，而且由于顯示器尺寸和復雜度不斷增大，顯示驅動也需要更高的電壓。

　　除了供電問題之外，設計人員還需要考慮以下問題：

　　系統怎樣上電：僅用一個機械開關就足夠還是需要電子方法上電，例如傳感器電路的輸出或報警信號；上電部件如何與控制器接口(典型的例子是兼具電源和其他功能的雙功能按鍵)?

　　當電池電壓超出正常范圍內時(電壓過高和電壓過低)會發生什么情況？不同電源如何排序？存在多電壓域時需要最先激活電壓最高的電源以避免IC死鎖。數據保持或休眠功能是否需要不間斷電源？如何在不取掉電池的情況下關斷系統？

　　解決以上這些問題可利用諸如上電復位(POR)電路、電池監控IC和PLD等標準部件，不過這給系統增加了元件，使成本提高，而且占用更多的PCB面積。

　　從系統級角度考慮有助于在IC中集成更強大的功能。為了實現這種系統級電源管理方法，Dialog Semiconductor設計了一系列電源管理子系統IC。

　　這些IC的種類范圍從簡單的單一功能器件，例如低壓差線性穩壓器(LDO)或開關轉換器，到具備所有功能的精密復雜的SoC電源管理IC。DA9025就是其中一款，該器件能為鋰電池供電的便攜式應用提供核心功能。芯片內采用高效電路以便最大程度延長電池壽命，其核心功能(見圖1)是一個高效降壓變換器和5個低靜態電流、低壓差線性穩壓器，采用Dialog Semiconductor公司的Smart Mirror專有架構。

　　DA9025直接與一個電池組連接，無論是否帶有控制器都能工作，而且能提供一種產生和控制多種系統電源的方法，主要針對采用單一鋰離子電源的便攜式應用。在最簡單的系統中采用適當的電池電壓或使能信號就能啟動器件，激活所有穩壓器。

　　DA9025會持續工作，直到用戶使用ONKEY管腳關斷器件，或者發生錯誤狀況，例如電池電壓過低等。也可以將器件連接到一個微控制器，通過專用管腳進行簡單控制，或通過I2C總線實現更復雜的控制。

　　DA9025中包含4個低壓差穩壓器，這是專為系統不同部分提供穩定電壓而設計的。這些穩壓器已經針對低噪聲、高電源抑制或低靜態電流等關鍵的系統參數進行了優化。其中有兩個LDO由于具有低噪聲以及超過80dB的電源抑制特性，因而可用于為音頻或RF電路供電。

　　給穩壓器供電的電池部分是分開的，以達到最大程度的隔離。在I2C總線控制下，穩壓器的輸出電壓也是可編程的。第五個集成穩壓器用于為實時時鐘供電，當電池被連接在器件上時，該穩壓器就一直保持激活狀態，但其靜態電流極低。

　　除了4個穩壓電源之外，DA9025中還包含一個1.8V 400mADC-DC降壓變換器。在許多系統中，降壓變換器都用于為系統處理器和存儲器供電。

　　可以根據負載電流大小將降壓變換器設置為同步或異步工作模式，以優化工作效率。變換器中已經集成了開關FET，因而需要的外部元件很少。在I2C總線的控制下，降壓變換器的輸出電壓也是可編程的，所以可用于為超低壓的處理器供電。

　　Smart Mirror技術

　　Smart Mirror是Dialog Semiconductor的一種獨特的技術，能根據負載需求的變化自動調整穩壓器控制電路的偏壓。采用這種技術的穩壓器能夠將輸出電流的需求反饋給偏壓發生器，在電流需求降低時自動減小偏壓，從而實現靜態電流的動態控制。

　　這使得穩壓器在一個寬泛的工作電流范圍內都具有很好的PSRR(電源電壓抑制)和動態性能，而不受通常的設計限制(除了負載最重的情況外一律采取過偏壓)。采用獨立的自適應偏壓控制就不再需要低功耗工作模式，因而在電流需求較低時也不再需要用戶介入才能切換到低功耗模式。

　　這種自適應偏壓確保穩壓器始終處于最佳工作點，因此能提供最高級別的PSRR(通常高達80dB)，同時電流消耗最低。電源電壓抑制也在較大帶寬上保持更高的水平，在217Hz上Smart Mirror能提供超過90dB的PSRR；即使在10kHz上，PSRR仍高于60dB。

　　由于Smart Mirror是一種全自動偏壓控制技術，因而在零負載情況下靜態電流消耗很低(通常為15uA甚至更低)。而在傳統的穩壓器中，只有當器件被軟件或硬件配置為低功耗或“ECO”模式時才可能達到如此低的靜態電流。而這使系統設計更加復雜，并且需要額外的軟件來控制，或增加管腳和PCB走線。

　　在最簡單的系統中，DA9025作為一個獨立器件工作(這種情況對沒有控制器的系統而言是理想配置)，提供6個預定義好的穩壓電源。它支持便攜式應用中常見的系統電壓，例如1.8V和2.8V。

　　不過，如果所有電壓都固定，缺乏靈活性就會削弱器件集成度增大所帶來的好處，因此，DA9025除了為基本電源管理提供組件模塊以外，還為適應系統中常見的所有電源電壓提供多種不同的默認電壓配置，包括1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。此外，如果默認的電源啟動順序不合適，還可以選擇顛倒啟動順序。這些選擇確保所設計的系統處于最合適的電源電壓下。

　　該設計支持多種上電檢測可選方案(例如，可選擇輸入信號低電平或高電平有效)，還可提供系統復位信令，以及用于連接上電信號的開漏緩沖輸出。

　　精密比較器監測電池狀態是否出現電壓過高或過低的情況，一旦出現這類情形，比較器就會將系統關斷。在系統激活時，電壓最高的電源最先激活，其他電源每隔200us激活一個，以便將穩壓器對其充電電容器進行穩定和充電時的啟動電流降至最低。

　　另外，采用器件的總線還可以實現輸出電壓編程和個別電源掉電控制等額外控制功能。I2C是雙向總線，通過它能訪問狀態和故障寄存器。這個寄存器用于記錄事件而且隨后可以查詢。

　　如果與一個處理器配合使用，DA9025還能支持看門狗功能，即由處理器向一個仍處于工作狀態的電源管理IC周期性地發送信令。該功能對軟件死鎖時的器件保護十分有用，如果沒有這項功能，那么當軟件出現死鎖時，器件的工作狀態會被凍結，只有取掉電池并重啟系統，器件才能重新工作。

　　DA9025的典型應用：便攜式媒體播放器

　　由于需要多電源的系統越來越多，設計人員的任務也愈加艱巨。他們面臨著日益縮短的上市時間要求，為滿足這一要求，找到簡單易用的電源管理方案就變得至關重要。

　　圖2：一個簡單的便攜式音頻播放器電源管理子系統。

　　DA9025的靈活性使它非常適于低功耗系統以及采用先進微控制器或DSP的系統，前者通常包含數字和模擬功能，而后者的內核和外設通常需要單獨的電源供電。DA9025能提供一種基本的系統級電源管理方案，進行開/關控制，實現順序上電和電池監控，因此它能用于為更復雜的系統內核供電。此外，設計人員還可以利用現有的標準元件為其添加附加穩壓器或電池充電等額外功能，從而使得設計人員能夠快速配置完整的系統。

　　盡管DA9025主要是針對采用單鋰電池供電的系統，但它也能用于具有3.3V電源的系統中，例如用于PCMCIA、SD、MMC、CF和迷你PCI等計算機接口。便攜式音頻播放器就是DA9025成功應用一個典型例子(見圖2)。

　　采用系統級方法在IC中集成最常見功能的主要益處在于加快上市時間，因為這種方法提前解決了一些通常要在開發階段中期才會考慮的問題。此外，也可以選擇采用全SoC方法，這樣得到的IC功能往往十分靈活，足以應付多種不同的應用，同時也讓設計人員有足夠的自由，能夠輕松地根據需要添加額外功能。