By Dave Freeman
Application Engineering Manager, Power Management Products
Texas Instruments

最近幾年的電源供應(yīng)設(shè)計和電源管理發(fā)展趨勢已經(jīng)反映出整個電子產(chǎn)業(yè)都能見到的許多動態(tài)，例如零件整合度日益增加、利用數(shù)字組件來加強或取代傳統(tǒng)模擬電路的做法更加普遍、以及在前兩個趨勢影響下，越來越多智能型功能開始分布至整個電源系統(tǒng)；毫無疑問的，這些力量將在未來的幾年內(nèi)繼續(xù)影響電源零件。此外，某些特殊應(yīng)用的電源系統(tǒng)設(shè)計技巧也已出現(xiàn)，它們也將塑造電源零件的本質(zhì)和功能。

在這些特殊應(yīng)用的眾多發(fā)展趨勢當(dāng)中，最主要的趨勢是把行動電話設(shè)計技巧和方法應(yīng)用到其它行動通訊、運算和消費性電子裝置的電源系統(tǒng)，例如PDA、數(shù)字相機、混合式智能型手機和其它產(chǎn)品。

電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的整合

無論就整個電子產(chǎn)業(yè)而言，或是針對行動應(yīng)用來說，零件整合長期以來就是它們的重要支柱之一；最值得注意的是，行動電話的電源供應(yīng)設(shè)計也是遵循這個趨勢，朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

行動電話的電源系統(tǒng)曾經(jīng)是由許多離散模擬零件組成，但這樣的日子已一去不回。最初的功能整合在于盡量縮小這些離散式電源零件的體積，隨后則是把它們整合至一顆或少數(shù)幾顆電源管理組件?，F(xiàn)在，這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能，它們的應(yīng)用范圍也逐漸跨出行動電話產(chǎn)業(yè)，進入各種不同類型的掌上型裝置。

芯片整合的理由對于整個電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因為制造這些產(chǎn)品所需的組件數(shù)目和電路板面積都會減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會更簡單、更高的系統(tǒng)可靠性還能縮短測試時間。此外，更高階的芯片整合度也能提高發(fā)展流程效率，進而加快制造商的新產(chǎn)品上市時間；由于他們能更快在市場上推出新產(chǎn)品，芯片整合度確保產(chǎn)品上市時擁有極大競爭力。

TI提供的TPS65010電源組件就是高整合度、高功能電源系統(tǒng)單芯片 (power-system-on-a-chip) 的最新范例。這顆組件專門支持各種行動應(yīng)用的電源管理需求，包括PDA、數(shù)字相機、多媒體智能型手機和其它產(chǎn)品；無論是任何系統(tǒng)，只要它們使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池，并且包含多組電源線路和多顆先進應(yīng)用處理器，TPS65010就能做為它們的電源系統(tǒng)。



TPS65010整合了電源系統(tǒng)的所有重要建構(gòu)方塊，包括用于交換式電源轉(zhuǎn)換和電池充電的整合式FET晶體管；TPS65010還整合復(fù)雜先進的電池和電源管理智能，滿足今日高效能、功耗處理器所需，例如TI提供的OMAP處理器。TPS65010體積很小，最多只需要離散式解決方案的1/3電路板面積，但卻內(nèi)建兩個同步直流降壓轉(zhuǎn)換器和整合式FET晶體管、提供系統(tǒng)電源的1 A轉(zhuǎn)換器以及提供處理器核心電源的400 mA轉(zhuǎn)換器；在最大工作模式下，TPS65010可以達到97%的轉(zhuǎn)換效率。

TPS65010還整合其它多種功能，它們是行動電話應(yīng)用以外的其它電源管理組件比較少看到的，例如這顆零件包含TI最新的線性電池充電器技術(shù)和1 A充電FET晶體管，使得這顆零件可以使用來自USB連接埠或者外接式電源供應(yīng)器的電源。TPS65010內(nèi)建智能型功能，可以自動選擇USB或電源供應(yīng)器做為充電電源；這顆組件所整合的充電器技術(shù)還提供高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示、充電終止和安全定時器。

數(shù)字零件改變電源系統(tǒng)設(shè)計

TPS65010利用它所擁有的高階整合度以及更強大功能，證明電源系統(tǒng)設(shè)計為什么正在轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)。當(dāng)數(shù)字電路加入電源系統(tǒng)后，更多的智能即可內(nèi)建至電源系統(tǒng)，進而減少系統(tǒng)主機處理器的工作負(fù)擔(dān)，使它能夠執(zhí)行對于系統(tǒng)成敗更重要的工作。透過這樣的方式，數(shù)字加強型電源供應(yīng)就成為最佳化的系統(tǒng)外圍，它可以連接至操作系統(tǒng)，以便提供監(jiān)督和控制功能。

此外，數(shù)字組件的延展性也優(yōu)于模擬組件，因此隨著數(shù)字制程越來越精密，數(shù)字電源芯片也會變得更小，使它們所需的電路板面積隨之減少。若只利用模擬技術(shù)來實作電源供應(yīng)的組態(tài)設(shè)定和監(jiān)督，電路通常會變得很復(fù)雜，閑置電源的功耗也更大。體積較小的數(shù)字電源組件則能提供多種工作模式，減少電源子系統(tǒng)的功耗，這表示電源管理系統(tǒng)只會消耗更少的系統(tǒng)電源，使得更多電力能夠提供給系統(tǒng)使用。

某些電源系統(tǒng)已開始從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，受到這個趨勢影響，電源系統(tǒng)設(shè)計人員必須掌握新的設(shè)計技巧；最后，這個轉(zhuǎn)變過程會迫使電源系統(tǒng)設(shè)計人員以數(shù)字方式思考，并對操作系統(tǒng)有更深入的了解。

朝向數(shù)字電源的趨勢已產(chǎn)生多種效果，行動通訊系統(tǒng)處理器與電源子系統(tǒng)的互動方式就是個例子；過去，當(dāng)電源子系統(tǒng)還不是那么先進，并且主要包含模擬零件時，基頻處理器必須透過不同接腳，才能把基本的開機／關(guān)機命令送給電源子系統(tǒng)。隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源組件，并使它們變得更聰明，基頻處理器和數(shù)字電源管理組件就能以更復(fù)雜的信息和命令相互溝通。要讓這樣的芯片對芯片互動達到可接受的效能水準(zhǔn)，處理器和數(shù)字電源管理組件之間就需要更先進的界面，例如I2C™就是適合此用途、而且功能更強健可靠的界面之一。

在主機處理器和電源系統(tǒng)之間使用強健可靠界面的影響之一，是電源系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在必須學(xué)習(xí)如何利用完整復(fù)雜的界面，而不僅是簡單的開機和關(guān)機線路。某些電源系統(tǒng)設(shè)計人員正在第一次學(xué)習(xí)如何管理界面，使得電源管理組件能和主機處理器所執(zhí)行的操作系統(tǒng)溝通；在許多情形下，這牽涉到學(xué)習(xí)新的程序設(shè)計工具和語言 - 當(dāng)電源系統(tǒng)的絕大多數(shù)零件是模擬組件時，設(shè)計人員并不需要使用這些工具或語言。

把智能分布至整個電源系統(tǒng)

隨著越來越多智能分布至整個電源系統(tǒng)，也使得電源系統(tǒng)更需要先進的功能界面 - 特別是在處理器和電源管理組件之間，對于這類界面的需求更為明顯。這個功能界面必須包含所有子系統(tǒng)的電源管理功能，例如電池充電和監(jiān)測。除了發(fā)展實體界面之外，系統(tǒng)還需要一套協(xié)議來支持各種子系統(tǒng)，而且這個協(xié)議不能帶來不必要的復(fù)雜性。

在今日的筆記型計算機中，電池管理單元會使用類似于I2C™界面的SMBus界面；這個界面的應(yīng)用正在擴大，把更多電源子系統(tǒng)納入支持范圍。為電池管理子系統(tǒng)增加功能界面，充電子系統(tǒng)和電源管理功能之間的合作將更有效率。系統(tǒng)主機處理器過去必須盡可能監(jiān)測電池電力，同時管理整個充電程序，現(xiàn)在隨著更多智能分布于整個電源系統(tǒng)，電源管理組件可與強健可靠的電池電力量測組件以及各種電池充電零件密切合作。

TI新推出的bqJUNIOR™系列 (bq265xx) 就是很好的例子，它說明隨著更多數(shù)字技術(shù)用于電源系統(tǒng)，智能也將開始分布至整個電源系統(tǒng)；bqJUNIOR證明智能已開始出現(xiàn)在許多行動應(yīng)用的電池組和充電子系統(tǒng)，例如使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池的數(shù)字相機、PDA和行動電話。

電池監(jiān)測功能最初是透過少數(shù)幾顆比較器來提供，它們連接至顯示屏幕的指示計，顯示電池剩余電力。隨后廠商開始把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器嵌入系統(tǒng)的基頻處理器，使它能監(jiān)測電池的電力狀態(tài)，最新發(fā)展則是在組件中加入智能型電池管理子系統(tǒng)，bqJUNIOR就是采取這樣的做法。

bqJUNIOR不同于其它簡單的電池監(jiān)測零件，它是完全整合式電池電力量測組件，內(nèi)建處理器可以計算電池剩余電力以及這些電力所能提供的系統(tǒng)運行時間。bqJUNIOR利用電壓偏移值很小的整合式電荷計數(shù)轉(zhuǎn)換器 (coulomb counting converter) 來量測電池的充電及放電電流，精準(zhǔn)度可達到百分之一，它還內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可用來量測電壓和溫度值。bqJUNIOR的內(nèi)建處理器可以根據(jù)這些量測結(jié)果，利用特定算法來準(zhǔn)確計算電池的剩余電力；在此之前，只有在筆記型計算機的系統(tǒng)層次，才會提供這種程度的電池管理功能。

bqJUNIOR電池電力量測組件的功耗極低，它的工作電流少于100 mA，還提供三種待命功耗模式；bqJUNIOR可以進入這些待命功耗模式，以便在系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)時，為系統(tǒng)節(jié)省更多的電池電力。bqJUNIOR其它規(guī)格還包括：偏移電壓很小的轉(zhuǎn)換器，可以準(zhǔn)確監(jiān)測充電及放電電流；內(nèi)建時脈功能，可減少系統(tǒng)的芯片數(shù)目；整合式EEPROM內(nèi)存，用來設(shè)定與應(yīng)用相關(guān)的特定功能；以及可程序I/O連接端口。

由于bqJUNIOR可以搜集它所需要的全部信息，又能執(zhí)行所有必要計算，因此工程師不必為了提供這些功能，而針對系統(tǒng)主機處理器發(fā)展相關(guān)算法，這能減少產(chǎn)品的研發(fā)時間和成本。主機處理器，例如TI的OMAP1710應(yīng)用處理器、OMAP750整合式通訊及應(yīng)用處理器或是OMAP5910嵌入式應(yīng)處理器，都能使用單線 (single-wire) 通訊端口和HDQ協(xié)議與bqJUNIOR互動，并且取得它們所需的電源信息。