【導(dǎo)讀】最新的市場研究報告顯示,對消費(fèi)類電子的需求依然很強(qiáng)勁。由于這些消費(fèi)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(fèi)類電子領(lǐng)域日益受到人們的青睞。不斷發(fā)展的消費(fèi)者需求對技術(shù)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。
消費(fèi)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(qiáng)大的硬盤驅(qū)動能力實(shí)現(xiàn)了在一個設(shè)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(diào)頻功能或數(shù)碼相機(jī)功能。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
不斷發(fā)展的消費(fèi)者需求對技術(shù)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(shè)計(jì)時尚、小巧、用戶友好型器件需要采用極微小的電子與機(jī)械集成組件。為了盡可能延長工作時間,認(rèn)真考慮電池的化學(xué)特性與容量以及電池電量監(jiān)測功能是至關(guān)重要的。對功率轉(zhuǎn)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(yán)格的尺寸要求,因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(jìn)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(fù)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(shí)際負(fù)載點(diǎn)的線跡過長,從而會導(dǎo)致噪聲和散熱問題,進(jìn)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(shí)現(xiàn)從電池電壓到IC 電源電壓的高效率轉(zhuǎn)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(biāo)就很難實(shí)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器將電池電壓轉(zhuǎn)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(dá)1A的電流。而對硬盤而言,3.3V的電源通常由獨(dú)立的主電源電壓軌提供,因?yàn)樵撾妷很売上到y(tǒng)單獨(dú)控制以實(shí)現(xiàn)在不需要時將其關(guān)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(guān)轉(zhuǎn)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(shè)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(dá)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(jìn)入電池的實(shí)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(yùn)行同時進(jìn)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(shí)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(yīng)用的平均用電需要,而不是必須采用滿足最嚴(yán)格用電條件的電源。
我們可用電池電量監(jiān)測計(jì)來精確測定剩余電池電量,從而進(jìn)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(zhuǎn)換主要通過轉(zhuǎn)換DC穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)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?yàn)楣奶叨枰及搴艽笄覂r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(shè)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(zhuǎn)換器的工作效率實(shí)際高達(dá)90%以上,其功耗僅為低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 功耗的一小部分。
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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(zhuǎn)換器
圖3給出了高效功率轉(zhuǎn)換的實(shí)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(zhuǎn)換器,從而實(shí)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(zhuǎn)換器采用片上轉(zhuǎn)換FET并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制。這就是說,設(shè)計(jì)工程師不必選擇外部晶體管,也不必采用昂貴而難用的設(shè)計(jì)軟件來分析補(bǔ)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器將電池電壓轉(zhuǎn)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(dá)1A的電流。而對硬盤而言,3.3V的電源通常由獨(dú)立的主電源電壓軌提供,因?yàn)樵撾妷很売上到y(tǒng)單獨(dú)控制以實(shí)現(xiàn)在不需要時將其關(guān)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(guān)轉(zhuǎn)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(shè)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(dá)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(jìn)入電池的實(shí)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(yùn)行同時進(jìn)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(shí)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(yīng)用的平均用電需要,而不是必須采用滿足最嚴(yán)格用電條件的電源。
我們可用電池電量監(jiān)測計(jì)來精確測定剩余電池電量,從而進(jìn)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(zhuǎn)換主要通過轉(zhuǎn)換DC穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)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?yàn)楣奶叨枰及搴艽笄覂r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(shè)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(zhuǎn)換器的工作效率實(shí)際高達(dá)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(zhuǎn)換的實(shí)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(zhuǎn)換器,從而實(shí)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(zhuǎn)換器采用片上轉(zhuǎn)換FET并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制。這就是說,設(shè)計(jì)工程師不必選擇外部晶體管,也不必采用昂貴而難用的設(shè)計(jì)軟件來分析補(bǔ)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。