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优化多媒体行动装置的电源管理

作者:Mark Jacob  发布日期:2012-09-07 11:10:15
最早的行动处理器于1980年代推出时,并不具备任何可识别的电源管理,相关装置随着原始稽纳二极管参考电压稳压器所提供的内建电源供应简单地进行开或关,系统的尺寸不是很重要,当然功耗也不是。随着时间流逝,稳压器在整合众多控制晶体管以提升电路回授下变得更精准,而最后,开关切换架构的导入,使功耗大幅降低,尤其对于渐增的峰值输出电流,采用分立式的现成电源管理组件,为早期产品提供了所需的弹性。

现今变得复杂

若以今日系统化电源管理电路来对照这些方式,在一些低成本装置上,基本的电源管理是整合于基频处理器中,但高阶多媒体、行动装置则采用专属电源管理IC(PMIC),其整合了超过1百万颗晶体管、独特电阻与电容以提供系统化电源管理。提供指定电压与电流容量的稳定电源供应轨不再是一个简单的问题,您的手机中可能包含了超过30个全部由单一电池衍生出的独立电源区。

更多电源区可将电池消耗降至最低,延长最终使用者重新充电间的使用时间。然而这种做法会造成更复杂的电源时序问题-电源供应被开与关的顺序与时机-您必须能设定多重睡眠模式,如此系统中于特定时间内不工作的区域便不须消耗电力;电源管控必须是可调控的、快速反应每个系统功能所需电力的改变,一般利用线性和开关式架构的结合来达成。事实上,电源管理已逐渐发展且具有一定程度的提升,其能根据透过系统讯号的性质来实现优化,除此之外,相同的电源管理电路也能负责监视、保护和充电系统主电池。


 

PMIC使电源管理功能模块尺寸减半

在很多先进的手持、多媒体产品中,PMIC现已取代分立式MOSFET、DC/DC转换器和低压差稳压器(LDO),与使用分立组件电源管理装置相比,其明显的好处是可降低板面空间,在一些应用实例上可高达50%以上,以及较少的物料清单成本(BOM)和降低设计复杂度。这些常常是采用PMIC的主要驱动力,然而,还有一些其它同等重要的优点:

1. 系统可靠度藉由最少化外部组件与连接组件,以及较佳的热能管理而提升,PMIC内使用散热通孔可确保有效地将热传送到地端的连接,透过内建热关断保护而达到热失控的防范。

2. 高密度、混合讯号设计为板面布线带来挑战,布线相关的设计问题无法由仿真工具确定,整体产品设计有一大部分时间耗于解决串音、去耦、电流和电压检测和EMI问题,利用整合电源管理装置,将可大幅地排除这些问题,缩短上市时间。

3. 整合功率MOSFET和稳压器于单一硅芯片上,意谓着可达到更高的开关频率,这是因为MOSFET更靠近稳压器,使电感和闸极驱动阻抗降低了。更高的开关频率意谓着更小的滤波组件、电感与电容,能被用于机板上,因而省下了更多空间。

制程相似性提供音频整合机会

很明显地,电源管理是一种混合讯号功能。电压和电流位准本质上是模拟,但电源路径和系统控制所要求的是数字化的精准与弹性。

广义来说,许多用于电源管理功能的相同硅晶圆制造程序与制程板块也同样地可用于混合讯号的音频制程,此使得电源管理整合进一步获得将音频CODEC整合到同一芯片的好处,这种系统分区的方式也能促进CODEC功耗的最佳化,端视系统所能接受不同音讯流而定。PMIC上的DAC从外部处理器取得译码声频、未压缩音频或铃声数据,进行转换、放大,输出到耳机或扩音器,为达到最佳的效率,电压讯号需依据所需的位率和讯噪比(SNR)性能要求进行放大或缩小。利用低噪音自动增益控制放大器和ADC,相同的PMIC也能整合扩音器通道,不工作的区块则随时处于关闭状态以保存电力。

在系统设计的每一个方面,几乎总是必须有所折衷妥协,音频与高速数字讯号如此靠近造成音频讯号的讯噪比典型的10~15dB SNR折损,然而,当音频功能整合到基频芯片时,此情况将更加明显。基频芯片制程的约束限制了此系统分区的成功性,且随着数字电路制程板块的持续缩小,这使设计上更困难。
 


 

图2显示一款典型如上述的PMIC,专为辅助数字基频手机处理器所设计,其整合一组24位HiFi立体DAC、一组具有64~256Kbit/s采样率的声音CODEC、15组LDO、3个降压转换器、2个升压转换器、LED和振动驱动程序、一个触控屏幕界面和两个扬声器和耳机的音频驱动器,这些功能透过工业标准I2C接口由一个主处理器控制。

基于处理器的分区之进一步优点,亦即将多重混合讯号功能摆入单一装置,即是系统平台数字部分的开发可被实现而无需全部重新设计,更快且功能更丰富的应用微处理器和基频处理器能被更简单地搭配使用,因此可降低开发与测试时间,减少负担。
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此外,上述PMIC 是可编程的,如此其可被用于终端产品的所有产品家族,因此以支持一个平台的方式实现移动系统设计。

基于一个整体、系统级通盘考虑的电源管理是目前可接受的做法,系统设计如何机动性的分区对电源管理的有效性,系统大小、成本和复杂度有着重大的影响,随者电池寿命和系统功能性变成消费者选择行动装置时的主要决定因素,很明显地,最佳化电源管理成为创建一款赢得消费者青睐产品的一个关键考虑。

接下来会是甚么?

具备更高整合度、更弹性的PMIC目前正开始出现,比起那些整合音频CODEC,这些平台化PMIC增加了可编程的组态设定,使得单一装置可支持多重应用和行动图形处理器,其可完全地管理电池流入与流出的能量和所有内建主要组件,随着自主稳压需求的增加,内建LDO可巢状式的串接于DC/DC转换器可进一步提升系统效率。此外,输出可串联或并联连接,进一步提高弹性,这些装置所代表的,正是最先进的电源管理方案。

作者   Dialog Semiconductor音频及电源管理营销总监Mark Jacob
 
 

Tag标签: 多媒体   电源管理  
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