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飛思卡爾 (Freescale)、英特爾 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微處理器，此類仍在不斷發展壯大的微處理器專為給眾多無線、嵌入式和網絡應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產品的初衷是使原始設備制造商 (OEM) 能夠開發出體積較小、成本效益性更佳并具有長電池使用壽命的便攜手持式設備，同時提供增強型處理性能以運行多功能多媒體應用程序。近來，對這種高效率和處理性能組合的需求也擴展到了非便攜式應用領域。汽車信息娛樂系統和其他嵌入式應用所要求的效率和處理能力水平與最新的高端便攜式設備相似。然而在所有的場合中，為了正確地控制和監視微處理器的電源系統、并確保利用這些處理器有可能獲得的所有效率提升均能夠實現，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的，這與應用無關。 要想在不增加系統功耗的情況下實現較高的處理能力，就必需在電流不斷增大的條件下降低工作電壓。便攜式和嵌入式系統均包括多種專為在不同的電壓條件下運作 (由于應用的需要或者加工工藝線寬的原因) 而優化的元件。最終的結果是：采用最新“便攜式”處理器的系統將需要許多大電流、低電壓軌 —— 通常為 1.8V 或更低。除了大量的低電壓軌之外，很多此類應用還需要 3V 或 3.3V 電壓軌，用于給大型便攜式硬盤驅動器、存儲器和外部邏輯電路的 I/O 電源等供電。在汽車或嵌入式應用中，所有與處理器直接相連的電源電壓均可采用高效率降壓型 DC-DC 或 LDO 來產生 (視電流要求而定)。 就便攜式應用而言，主電源通常是一個大的單節鋰離子/鋰聚合物電池，它可以具有一個高于或低于產品中的 3.3V 系統電源的電壓。此類應用 (例如：手持終端、條形碼掃描儀、RFID 閱讀器等) 需要一個降壓-升壓型電源以產生 3.3V 電壓軌。這些“便攜式”處理器系統 (不管是否采用電池供電) 的額外復雜性包括：必需以某種特定的次序對所有電源的接通和關斷操作進行排序，而且要能夠根據系統的處理要求動態地進行電源電壓的上升/下降調節。對系統設計師而言，由單個集成化解決方案來滿足所有微處理器及相關應用電路的電源需要是一項巨大的優勢。如欲在眾多的應用中處理這些要求，則需要一款高度靈活、可編程和高效的多輸出電源解決方案。 設計挑戰 降壓-升壓能力 當今的大多數新式多功能電子系統仍然需要 +3V 范圍的電壓軌，例如：用于給汽車信息娛樂系統中的 I/O 或某個外設電壓軌供電。把同步降壓-升壓開關操作功能集成到電源管理 IC (PMIC) 之中將在整個輸入電壓范圍內 (2.7V 至 5.5V) 實現 3.3V 穩壓和高效率，從而增加操作裕度。然而，相比于簡單的降壓型 DC-DC 轉換器，采用降壓-升壓型設計來實現高效率所面臨的挑戰要大得多，特別是在要求低噪聲和上佳負載階躍瞬態響應的場合。 作為許多汽車電源的起點，12V 汽車電池與這些系統所需要的低噪聲、穩定電源相去甚遠。除了噪聲以外，這種 12V“電源”還會受到反向電池情況或負載突降的影響，在這些場合中電壓有可能在 -36V 至 80V 的范圍內變化，甚至出現尖峰。適合這些系統的理想電源必須保護其自身和應用電路免遭上述苛刻電氣條件的損壞，同時提供穩定的低噪聲輸出電壓。汽車環境中的散熱條件同樣具有挑戰性；即使在 85°C 的環境溫度下，PMIC 的結溫也有可能接近 125°C，因而要求 -40°C 至 +125°C 結溫范圍內的電源穩定性和堅固的過熱保護功能。鑒于這些嚴酷的條件，通常在給 PMIC 供電之前將該系統/電池電壓預先調節至 3.3V 或 5V。在許多場合中，這些中間電源會由于冷車發動和嚴重噪聲瞬變的原因而遭到毀壞。降壓-升壓型電源在這里同樣具有優勢，可確保與處理器系統相關聯的 3.3V 關鍵電壓軌不會觸發上電復位。 減少熱量，優化系統效率 許多業界標準 PMIC 都具有多種內置線性穩壓器。不過，如果未借助充足的銅走線排布、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流水平進行正確的管理，則線性穩壓器有可能在 PC 板自身上產生局部“熱點”。另一方面，當輸入和輸出電壓的差異很大和/或輸出電流很大時，開關穩壓器則提供了一種更加有效的降壓方法。在現今具有內置低電壓微處理器的多功能設備中，PMIC的使用很普遍。因此，實現針對大多數電壓軌的開關模式電源的必要性正日益提高。然而，LDO 卻提供了低噪聲輸出和卓越的電源抑制比 (PSRR) 性能，所以必須對權衡結果進行評估。在許多情況下，正確的 IC 使用分配包括 DC/DC 和線性穩壓器。 事實上，如今所有的應用對系統中的熱量均很敏感。隨著處理性能和相關工作電流的提升，使用開關穩壓器來替代 LDO 變得越來越重要。在高集成度電源中情況尤其如此，因為單通道 IC 在其功率耗散能力方面受到限制。此外，實現最佳功率耗散還要求許多內核處理電壓軌根據所執行的處理操作進行動態調節。較高的電源電壓是實現較高時鐘速率操作所必需的。同樣，對于處理密集性不太高的操作模式，非常低的電壓就足夠了。由于對應的電源電流往往會跟蹤輸入電源電壓，因此以盡可能低的電源電壓來運作處理器是最理想的。處理器電壓電源的動態調節需要一個串行端口 (例如：I2C) 以傳遞變化。實際上，目前所有的高端便攜式處理器均支持該功能 —— 不過，要想利用它還需要一種同樣靈活和可編程的電源解決方案。 概括起來，系統設計師所面臨的主要挑戰包括：
一款簡單的解決方案 過去，PMIC 不具備處理這些新式系統和微處理器所需的足夠功率。旨在滿足上述電源管理 IC 設計約束條件的任何解決方案都必須擁有高集成度，內置大電流開關穩壓器和 LDO、主要參數的動態 I2C 控制電路、以及諸如降壓-升壓型穩壓器等“難以完成的”功能電路模塊。此外，具高開關頻率的器件還可縮減外部元件的尺寸，而陶瓷電容器則能減小輸出紋波。這樣的一款 IC 還必須適合苛刻的汽車環境，盡管輸入電壓通常取自經過預先調節的系統或電池電壓。 一款適合當今 Xscale 和 ARM 處理器的高功率 PMIC LTC3589 是一款適合 ARM 處理器和先進便攜式微處理器系統的完整電源管理解決方案。該器件包含 3 個用于內核、存儲器和片上系統 (SoC) 電壓軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器、1 個用于 2.5V 至 5V I/O 的同步降壓-升壓型穩壓器、以及 3 個用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩壓器。一個 I2C 串行端口用于控制穩壓器啟用、輸出電壓電平、動態電壓調節和轉換速率、操作模式和狀態報告。穩壓器啟動操作的排序通過以期望的次序將穩壓器輸出連接至啟用引腳或通過 I2C 端口來完成。系統上電、斷電和復位功能受控于一個按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監視器和有源放電電路保證在下一個啟用序列之前完成一個干凈的斷電操作，而且，當系統必須在待機模式中保持運行狀態時，選定的穩壓器可以免除電源的按鈕控制 (比如：存儲器)。LTC3589 支持 i.MX, PXA 和 OMAP 處理器，具有8 個位于合適功率電平的獨立電壓軌以及動態控制和排序功能。其他特點包括接口信號，例如：同時在多達 4 個電壓軌上進行編程運行與待機輸出電壓之間變換的 VSTB 引腳。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露襯墊 QFN 封裝。 圖 1：LTC3589 簡化方框圖 高集成度 —— 支持多個高功率電壓軌 LTC3589 是一款適合便攜式微處理器和外設的完整電源管理解決方案。它總共產生了 8 個電壓軌，用于給處理器內核、SDRAM、系統存儲器、PC 卡、始終保持接通的實時時鐘和硬盤驅動器 (HDD) 功能部件供電。負責給電壓軌供電的是一個始終保持接通的低靜態電流 25mA LDO、一個 1.6A 和兩個 1A 降壓型穩壓器、一個 1.2A 降壓-升壓型穩壓器和三個 250mA 低壓差線性穩壓器。為多個穩壓器提供支持的是一種高度可配置的電源排序功能、動態電壓轉換 DAC 輸出電壓控制、一個按鈕接口控制器、通過一個 I2C 接口實現的穩壓器控制、以及大量的狀態報告和中斷輸出。 LTC3589 的內部補償、恒定頻率電流模式降壓型開關穩壓器可提供高達 1A、1A 和 1.6A 的電流。2.25MHz 或 1.125MHz 的降壓型穩壓器開關頻率 (包括每個降壓型穩壓器的相位調整) 采用 I2C 命令寄存器來單獨選擇。上電默認頻率為 2.25MHz，并包括用于減低 EMI 的邊緣速率調整。每個降壓型穩壓器均具有動態轉換 DAC 輸入基準和外部反饋引腳，以設定輸出電壓范圍。降壓型穩壓器的三種操作模式 (脈沖跳躍、突發模式 [Burst Mode?] 操作、或強制連續) 采用 I2C 接口來設定。在脈沖跳躍模式中，穩壓器將支持 100% 占空比。突發模式操作的優勢是可在輕負載條件下實現最佳效率。強制連續模式則能夠在輕負載時最大限度地減小輸出電壓紋波，并在電壓輸出設定點之間實現最佳的動態轉換控制。 這款單電感器、四開關降壓-升壓型 DC/DC 電壓模式轉換器可從 2.5V 至 5V 電源產生一個用戶可編程輸出電壓軌。通過運用一種專有的開關操作算法，該降壓-升壓型轉換器可在輸入電壓高于、低于或等于所需輸出電壓軌的情況下保持高效率和低噪聲操作。降壓-升壓誤差放大器采用一個固定的 0.8V 基準，而輸出電壓由一個外部電阻分壓器來設定。突發模式操作通過 I2C 控制寄存器來使能。此降壓-升壓型轉換器無需任何外部補償組件。 動態電壓軌控制和其他 I2C 控制型功能 LTC3589 具有高端便攜式應用處理器所需的 I2C 控制功能，即動態電壓調節和可選的電壓轉換設定值。為了啟用該 IC 的轉換 DAC 基準操作，3 個 LTC3589 降壓型開關穩壓器和線性穩壓器 LDO2 具有可編程的 DAC 基準輸入。每個 DAC 均可在 0.3625V 至 0.75V 的范圍內進行設置 (步幅為 12.5mV)： VOUT = (1 + R1/R2)?(0.3625 + BxDTVx?0.0125) (V) R1 和 R2 形成了用于設定穩壓器輸出電壓的反饋電阻分壓器，詳見圖 2 和圖 3。0.3625 是 5 位 DAC 基準輸入至誤差放大器的最小電壓值。0.0125V 是 DAC LSB 步長。BxDTVx 是存儲于 I2C 寄存器中的二進制代碼 (十進制數值為 0 至 31)。 圖2：LTC3589 LDO 穩壓器應用電路 圖3：LTC3589 降壓型開關穩壓器應用電路 可以命令 DAC 基準以 4 種可選轉換速率之一在兩個電壓之間獨立地轉換。每個 DAC 具有兩個單獨的輸出電壓寄存器、電壓寄存器選擇、轉換速率和起動控制功能。改變 DAC 輸出無需啟用穩壓器。 圖 4 示出了降壓型穩壓器 1、2、3 和以 4 種可能的轉換速率在 0.8V 和 1.2V 之間轉換的 LDO2；轉換由 VSTB 引腳 (灰色) 啟動。電平相隔 8 個 DAC 代碼。 圖4：LTC3589 動態電壓調節變換 通用型 I2C 串行端口用于控制穩壓器啟用、輸出電壓電平、操作模式和狀態報告。LTC3589 上的 I2C 串行端口包含 13 個用于控制每個穩壓器的命令寄存器、1 個用于監視每個穩壓器的電源良好狀態的只讀寄存器、1 個用于讀取某個 IRQ 事件起因的只讀寄存器和 1 個清除 IRQ 命令寄存器。LTC3589 I2C 端口支持任何寄存器的隨機尋址，而且可采用多種 START 序列以任意次序對寄存器進行寫操作。所有的寄存器均能夠被回讀以檢驗軟件和硬件完整性。 結論 通過取代分立型電源 IC 組件或過度集成的傳統大型 PMIC (即：具有音頻、編解碼器、觸摸屏接口等)，系統設計師將能夠采用新一代的緊湊型 PMIC，此類 PMIC 集成了關鍵的電源管理功能，旨在以較小和較簡單的解決方案來實現性能的改善。高性能移動處理器通常具有一組獨特的電源要求，包括多個大電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動態 I2C 調節。這些高端處理器最初是為手持式應用而開發的，但如今正被部署于非便攜式和嵌入式系統 (比如：汽車信息娛樂系統) 中。憑借諸如由凌力爾特提供的 LTC3589 PMIC 等新產品，系統設計師將能夠在廣泛的應用領域中充分利用來自 Freescale、Marvell、Samsung 和其他公司的新型處理器所擁有的全部節能和性能好處。 |
