應如何對便攜式多媒體設備的電源進行有效管理

最新的市場研究報告顯示，對消費類電子的需求依然很強勁。由于這些消費類電子產(chǎn)品變得越來越小巧輕便且電池使用壽命更長，便攜式音頻/視頻播放器在消費類電子領域日益受到人們的青睞。

但是，消費者對更多功能與更高級性能的需求不斷膨脹。視頻編解碼速度更快的處理器以及日益強大的硬盤驅動能力實現(xiàn)了在一個設備中集成音頻/視頻的功能，即便攜式媒體播放器。按照壓縮比率的不同，一款具有20GB硬盤的典型高端播放器可存儲時長為60～80小時的MPGE視頻或時長為500～600小時的MP3音頻。一些型號還可能具有FM調頻功能或數(shù)碼相機功能。

設計挑戰(zhàn)

不斷發(fā)展的消費者需求對技術提出了新的挑戰(zhàn)。音頻/視頻回放、游戲等功能都需要高效地使用電池電量。設計時尚、小巧、用戶友好型器件需要采用極微小的電子與機械集成組件。為了盡可能延長工作時間，認真考慮電池的化學特性與容量以及電池電量監(jiān)測功能是至關重要的。對功率轉換電路的正確選擇也決定著電池為系統(tǒng)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組件，以確保良好的功耗性能。雖然先進的電源IC能在同一器件上集成數(shù)個電源通道，但我們必須了解系統(tǒng)的電源分組，以避免過度集成。在復雜的電子系統(tǒng)中，如果所有供電組件都集中在相同的位置，會造成電源管理器件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(fā)時間。

創(chuàng)新型解決方案

一款便攜式媒體播放器處理器、內(nèi)存以及顯示器需要若干不同的電壓軌和大量的電源電能。電池必須得到高效充電和管理，并實現(xiàn)從電池電壓到IC 電源電壓的高效率轉換。否則，用于音頻的電池使用時間持續(xù)16小時以及用于視頻回放的電池使用時間持續(xù)5小時的目標就很難實現(xiàn)。

圖1 典型便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)

圖1顯示了針對便攜式媒體播放器的電源子系統(tǒng)。鋰離子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(jiān)測器件可確定充電狀態(tài)，并有助于系統(tǒng)最大限度利用任何可用電量。數(shù)個電源轉換器將電池電壓轉換為所需的系統(tǒng)電壓。最重要的是為具有顯示控制器與背光功能的TFT LCD顯示器供電。對于內(nèi)存以及其他組件而言，主電源為3.3V電壓軌通常需要高達1A的電流。而對硬盤而言，3.3V的電源通常由獨立的主電源電壓軌提供，因為該電壓軌由系統(tǒng)單獨控制以實現(xiàn)在不需要時將其關閉，因此可節(jié)省能耗。處理引擎需要一些超低內(nèi)核電壓，1.2V或1.8V即可。音頻必須是具有線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出以過濾開關轉換器的噪聲。

充電器必須具備管理若干輸入源的功能，如電腦與外設的USB端口以及AC/DC墻上適配器。在適配器引腳上的輸入電壓額定值高達18V，這不僅能避免系統(tǒng)在DC電源線路上出現(xiàn)過壓峰值，而且還能使用價格較低的非穩(wěn)壓墻上電源。充電IC能夠決定進入電池的實際充電電流和系統(tǒng)所用的電流。因此，在電池充電和系統(tǒng)運行同時進行的情況下，充電過程也不會出現(xiàn)非正常終止問題。上述解決方案實現(xiàn)了動態(tài)的電源管理，在系統(tǒng)和電池間合理分配可用的DC輸入功率。如果系統(tǒng)電流上升，電池充電電流會自動降低，反之亦然。這樣有助于優(yōu)化成本，使墻上電源也能滿足系統(tǒng)整體對電池與應用的平均用電需要，而不是必須采用滿足最嚴格用電條件的電源。

我們可用電池電量監(jiān)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通過轉換DC穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。我們認為，就穩(wěn)壓工作而言，線性穩(wěn)壓器解決方案具有體積小和成本低等優(yōu)勢。但如果電流超過300A，就會因為功耗太高而需要占板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(fā)生此類問題。假設我們用3.6V的鋰離子電池提供1.2V的內(nèi)核電壓，線性穩(wěn)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，其功耗僅為低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 功耗的一小部分。

圖3給出了高效功率轉換的實例。為了給1.5V 500mA編碼器/解碼器引擎提供內(nèi)核電壓，我們采用了一款具有FET的高度集成的同步DC/DC轉換器，從而實現(xiàn)了最大功率效率，并盡可能地減少了外部組件數(shù)。采用該解決方案時，無需使用占板較大的散熱片。相對DC/DC控制器解決方案而言，高度集成的DC/DC轉換器采用片上轉換FET并實現(xiàn)內(nèi)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(wěn)定條件。組件選擇非常方便，我們只需按照產(chǎn)品說明書采用推薦的電感器即可。

圖2 具有動態(tài)電源管理功能的雙DC輸入線性充電解決方案

圖3 組件數(shù)量少且封裝小巧的高頻3MHz DC/DC轉換器

圖3中的DC/DC 降壓解決方案顯示了節(jié)省空間的特性。由于集成了開關晶體管，因此電路只需要一個電感器及兩個電容器。該器件具有獨特的控制架構，可以使電源對負載瞬變快速做出反應并保持高精度穩(wěn)壓。極高的3MHz開關頻率可將電感器尺寸降至僅為1μH，從而能使用高度還不足1mm的芯片電感器。該整體解方案可以構建成適合5mm×5mm的應用。為進一步降低功耗，先進的DC/DC穩(wěn)壓器還提供自動 PFM/PWM 模式轉換功能，在很大負載范圍上，都能最大化轉換效率。低負載電流運行時，轉換器可進入脈沖頻率調制（PFM）模式，而負載電流大于50mA時，脈沖寬度調制 （PWM） 控制方案則能對其提供支持。

結語

消費者希望小型設備能夠提供更多功能，且實現(xiàn)更長的工作時間。電池技術與低功耗半導體組件的不斷發(fā)展可以幫助工程師逐步滿足上述要求。精確監(jiān)測電池容量有助于充分利用電池全部電力，與高效的功率轉換相結合，有助于充分發(fā)揮電池的作用。我們采用高度集成的電源管理器件，并盡可能減少外部組件數(shù)和縮小封裝尺寸，這有助于高效利用有限的板級空間，以便集成更多功能，并減小產(chǎn)品尺寸與重量。