緊跟高耗電移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展

電池續(xù)航時(shí)間和熱平衡是移動(dòng)電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的兩個(gè)最大挑戰(zhàn)。隨著設(shè)備硬件和軟件功能的增加，如Web瀏覽、更高分辨率的攝像頭、尺寸更大的高清屏幕、速度更快的處理器和4G，來自為這些系統(tǒng)供電的穩(wěn)壓器的峰值功率要求也在增加。并行執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程意味著總負(fù)載電流會(huì)快速上升，給電源管理系統(tǒng)帶來巨大的供電和散熱壓力。

系統(tǒng)工程師提出了許多創(chuàng)新解決方案來延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，雖然大多數(shù)電源要求都已被整合入智能手機(jī)和平板電腦的電源管理IC(PMIC)，但是還需要分立解決方案來跟上下一輪移動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新的要求。這些極端重要和非常專門化的分立解決方案可增加PMIC的性能和最大化移動(dòng)設(shè)備的電源效率。

本文討論了在增加移動(dòng)產(chǎn)品的電源效率時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并介紹電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師如何使用下一代降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來延長(zhǎng)鋰離子(Li-ion)或鋰聚合物電池的續(xù)航時(shí)間，以及降低功耗，以滿足日益嚴(yán)苛的熱平衡要求。

用作前置穩(wěn)壓器的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可在提高系統(tǒng)整體效率和延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間方面發(fā)揮重要作用。例如，它們?cè)谟米鱌MIC低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的前置穩(wěn)壓器方面就十分成功。移動(dòng)系統(tǒng)PMIC可使用多達(dá)30個(gè)專用于子系統(tǒng)(如藍(lán)牙、SD內(nèi)存和RF收發(fā)器)的LDO，其輸出電壓范圍為1.2V+-+3.3V。通常用于這些系統(tǒng)的鋰離子電池可具有從4.35V到低至2.5V(在動(dòng)態(tài)線路和負(fù)載瞬變情況下)的電壓范圍，盡管電池電壓大多數(shù)時(shí)間維持在3.7V。

問題是，大LDO壓差會(huì)造成過量效率損失，且線電壓擾動(dòng)可能導(dǎo)致這些下游子系統(tǒng)的瞬時(shí)欠壓?jiǎn)栴}。這個(gè)問題可通過提供穩(wěn)定的輸出電壓(如3.3V)來解決，這也讓LDO系統(tǒng)設(shè)計(jì)更容易，因?yàn)楦菀最A(yù)測(cè)系統(tǒng)在頻繁瞬變條件下的運(yùn)行狀態(tài)。但關(guān)鍵改進(jìn)是來自所有LDO的余量電壓和壓差的減小。事實(shí)上，效率優(yōu)勢(shì)會(huì)相當(dāng)可觀。熱預(yù)算也因?yàn)镻MIC的功耗降低(這會(huì)降低管芯溫度和PMIC器件內(nèi)所有功率MOSFET導(dǎo)通電阻)而受益。

如圖1所示，給PMIC+LDO供電的方法有兩種：用電池直接供電，或通過降壓-升壓轉(zhuǎn)換器供電。

圖1：使用兩種LDO供電方案的典型移動(dòng)電源系統(tǒng)

Intersil的工程師進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，來比較兩種方法對(duì)電池續(xù)航時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)安排模擬了常見的應(yīng)用情況，如通過Wi-Fi傳遞的視頻流和對(duì)SD內(nèi)存卡的讀%2F寫操作。在此情形下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用降壓-升壓穩(wěn)壓器的方法可使電池續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)8%25以上。圖2顯示了在同一個(gè)負(fù)載下分別使用電池直接給LDO供電和通過降壓升壓轉(zhuǎn)換器再給LDO供電的兩種情況下的電池放電曲線。

圖2：使用和不使用降壓-升壓穩(wěn)壓器的電池放電試驗(yàn)。

降低無負(fù)載靜態(tài)電流

除了正常工作期間的能量節(jié)省，如圖3所示，開關(guān)轉(zhuǎn)換器還能從實(shí)驗(yàn)中使用的ISL91106降壓-升壓轉(zhuǎn)換器集成的低功耗旁路模式獲益良多。在低功耗旁路模式下，轉(zhuǎn)換器的輸出直接連接至輸入。該特性可幫助使轉(zhuǎn)換器的無負(fù)載靜態(tài)電流降低多達(dá)98%25，同時(shí)維持下游子系統(tǒng)(如PMIC、SoC、音頻、顯示屏、攝像頭和接口外設(shè))的睡眠模式或“keep-alive”功能。

圖3：提供引腳控制式旁路功能的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

這一由邏輯方法控制實(shí)現(xiàn)的旁路功能可向系統(tǒng)工程師提供傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器無法提供的靈活性。一旦該旁路功能被禁用，轉(zhuǎn)換器就能回到良好的穩(wěn)定輸出電壓。

諸如ISL91106和ISL91107等下一代降壓-升壓轉(zhuǎn)換器采用可提供高達(dá)96%25效率的H橋架構(gòu)，解決方案總尺寸小于20mm，同時(shí)在使用典型鋰離子/鋰聚合物電池的情況下，仍然可以提供高達(dá)9W的輸出功率。