整合与分布式智能成为电源系统设计的主要趋势

最近几年的电源供应设计和电源管理发展趋势已经反映出整个电子产业都能见到的许多动态,例如零件整合度日益增加、利用数字组件来加强或取代传统模拟电路的做法更加普遍、以及在前两个趋势影响下,越来越多智能型功能开始分布至整个电源系统;毫无疑问的,这些力量将在未来的几年内继续影响电源零件。此外,某些特殊应用的电源系统设计技巧也已出现,它们也将塑造电源零件的本质和功能。在这些特殊应用的众多发展趋势当中,最主要的趋势是

在这些特殊应用的众多发展趋势当中,最主要的趋势是把行动电话设计技巧和方法应用到其它行动通讯、运算和消费性电子装置的电源系统,例如PDA、数字相机、混合式智能型手机和其它产品。

电源系统单芯片(power-system-on-a-chip) 的整合

无论就整个电子产业而言,或是针对行动应用来说,零件整合长期以来就是它们的重要支柱之一;最值得注意的是,行动电话的电源供应设计也是遵循这个趋势,朝向更高阶的芯片整合度发展。

行动电话的电源系统曾经是由许多离散模拟零件组成,但这样的日子已一去不回。最初的功能整合在于尽量缩小这些离散式电源零件的体积,随后则是把它们整合至一颗或少数几颗电源管理组件。现在,这些电源零件开始加入越来越多的功能和智能,它们的应用范围也逐渐跨出行动电话产业,进入各种不同类型的掌上型装置。

芯片整合的理由对于整个电子产业都相同：把更多功能整合至更少零件后,产品成本即可大幅下降,因为制造这些产品所需的组件数目和电路板面积都会减少、产品的组装和制造程序会更简单、更高的系统可靠性还能缩短测试时间。此外,更高阶的芯片整合度也能提高发展流程效率,进而加快制造商的新产品上市时间;由于他们能更快在市场上推出新产品,芯片整合度确保产品上市时拥有极大竞争力。

TI提供的TPS65010电源组件就是高整合度、高功能电源系统单芯片 (power-system-on-a-chip) 的最新范例。这颗组件专门支持各种行动应用的电源管理需求,包括PDA、数字相机、多媒体智能型手机和其它产品;无论是任何系统,只要它们使用单颗锂离子电池或是锂聚合物电池,并且包含多组电源线路和多颗先进应用处理器,TPS65010就能做为它们的电源系统。

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TPS65010整合了电源系统的所有重要建构方块,包括用于交换式电源转换和电池充电的整合式FET晶体管;TPS65010还整合复杂先进的电池和电源管理智能,满足今日高效能、功耗处理器所需,例如TI提供的OMAP处理器。TPS65010体积很小,最多只需要离散式解决方案的1/3电路板面积,但却内建两个同步直流降压转换器和整合式FET晶体管、提供系统电源的1 A转换器以及提供处理器核心电源的400mA转换器;在最大工作模式下,TPS65010可以达到97%的转换效率。

TPS65010还整合其它多种功能,它们是行动电话应用以外的其它电源管理组件比较少看到的,例如这颗零件包含TI最新的线性电池充电器技术和1 A充电FET晶体管,使得这颗零件可以使用来自USB连接埠或者外接式电源供应器的电源。TPS65010内建智能型功能,可以自动选择USB或电源供应器做为充电电源;这颗组件所整合的充电器技术还提供高精准度的稳流和稳压能力、充电状态显示、充电终止和安全定时器。

数字零件改变电源系统设计

TPS65010利用它所拥有的高阶整合度以及更强大功能,证明电源系统设计为什么正在转向数字技术。当数字电路加入电源系统后,更多的智能即可内建至电源系统,进而减少系统主机处理器的工作负担,使它能够执行对于系统成败更重要的工作。透过这样的方式,数字加强型电源供应就成为最佳化的系统外围,它可以连接至操作系统,以便提供监督和控制功能。

此外,数字组件的延展性也优于模拟组件,因此随着数字制

程越来越精密,数字电源芯片也会变得更小,使它们所需的电路板面积随之减少。若只利用模拟技术来实作电源供应的组态设定和监督,电路通常会变得很复杂,闲置电源的功耗也更大。体积较小的数字电源组件则能提供多种工作模式,减少电源子系统的功耗,这表示电源管理系统只会消耗更少的系统电源,使得更多电力能够提供给系统使用。

某些电源系统已开始从模拟转向数字,受到这个趋势影响,电源系统设计人员必须掌握新的设计技巧;最后,这个转变过程会迫使电源系统设计人员以数字方式思考,并对操作系统有更深入的了解。

朝向数字电源的趋势已产生多种效果,行动通讯系统处理器与电源子系统的互动方式就是个例子;过去,当电源子系统还不是那么先进,并且主要包含模拟零件时,基频处理器必须透过不同接脚,才能把基本的开机／关机命令送给电源子系统。随着更多数字技术用于电源组件,并使它们变得更聪明,基频处理器和数字电源管理组件就能以更复杂的信息和命令相互沟通。要让这样的芯片对芯片互动达到可接受的效能水准,处理器和数字电源管理组件之间就需要更先进的界面,例如I2C"就是适合此用途、而且功能更强健可靠的界面之一。

在主机处理器和电源系统之间使用强健可靠界面的影响之一,是电源系统设计人员现在必须学习如何利用完整复杂的界面,而不仅是简单的开机和关机线路。某些电源系统设计人员正在第一次学习如何管理界面,使得电源管理组件能和主机处理器所执行的操作系统沟通;在许多情形下,这牵涉到学习新的程序设计工具和语言 - 当电源系统的绝大多数零件是模拟组件时,设计人员并不需要使用这些工具或语言。

把智能分布至整个电源系统

随着越来越多智能分布至整个电源系统,也使得电源系统更需要先进的功能界面 - 特别是在处理器和电源管理组件之间,对于这类界面的需求更为明显。这个功能界面必须包含所有子系统的电源管理功能,例如电池充电和监测。除了发展实体界面之外,系统还需要一套协议来支持各种子系统,而且这个协议不能带来不必要的复杂性。

在今日的笔记型计算机中,电池管理单元会使用类似于I2C"界面的SMBus界面;这个界面的应用正在扩大,把更多电源子系统纳入支持范围。为电池管理子系统增加功能界面,充电子系统和电源管理功能之间的合作将更有效率。系统主机处理器过去必须尽可能监测电池电力,同时管理整个充电程序,现在随着更多智能分布于整个电源系统,电源管理组件可与强健可靠的电池电力量测组件以及各种电池充电零件密切合作。

TI新推出的bqJUNIOR"系列(bq265xx) 就是很好的例子,它说明随着更多数字技术用于电源系统,智能也将开始分布至整个电源系统;bqJUNIOR证明智能已开始出现在许多行动应用的电池组和充电子系统,例如使用单颗锂离子电池或是锂聚合物电池的数字相机、PDA和行动电话。

电池监测功能最初是透过少数几颗比较器来提供,它们连接至显示屏幕的指示计,显示电池剩余电力。随后厂商开始把模拟数字转换器嵌入系统的基频处理器,使它能监测电池的电力状态,最新发展则是在组件中加入智能型电池管理子系统,bqJUNIOR就是采取这样的做法。

bqJUNIOR不同于其它简单的电池监测零件,它是完全整合式电池电力量测组件,内建处理器可以计算电池剩余电力以及这些电力所能提供的系统运行时间。bqJUNIOR利用电压偏移值很小的整合式电荷计数转换器 (coulomb counting converter) 来量测电池的充电及放电电流,精准度可达到百分之一,它还内建模拟数字转换器,可用来量测电压和温度值。bqJUNIOR的内建处理器可以根据这些量测结果,利用特定算法来准确计算电池的剩余电力;在此之前,只有在笔记型计算机的系统层次,才会提供这种程度的电池管理功能。

bqJUNIOR电池电力量测组件的功耗极低,它的工作电流少于100mA,还提供三种待命功耗模式;bqJUNIOR可以进入这些待命功耗模式,以便在系统处于闲置状态时,为系统节省更多的电池电力。bqJUNIOR其它规格还包括：偏移电压很小的转换器,可以准确监测充电及放电电流;内建时脉功能,可减少系统的芯片数目;整合式EEPROM内存,用来设定与应用相关的特定功能;以及可程序I/O连接端口。

由于bqJUNIOR可以搜集它所需要的全部信息,又能执行所有必要计算,因此工程师不必为了提供这些功能,而针对系统主机处理器发展相关算法,这能减少产品的研发时间和成本。主机处理器,例如TI的OMAP1710应用处理器、OMAP750整合式通讯及应用处理器或是OMAP5910嵌入式应处理器,都能使用单线 (single-wire) 通讯端口和HDQ协议与bqJUNIOR互动,并且取得它们所需的电源信息。

bqJUNIOR之类的组件可将智能分布至整个电源系统,这能带来更有效以及更高效率的应用系统,进而增加使用者的满意度。最新的电池充电技术需要更强大的智能,以便迅速完成电池充电,协助延长电池的供电时间,这也是分布式智能带来的好处之一。

使用单颗锂离子电池的行动系统制造商已了解,当电池达到满电位容量 (full capacity) 之后,继续充电反而会减少电池在满电位所能储存的电力,这会对使用者满意度造成不良影响。举例来说,使用者为确保行动电话的电力饱满,当他们坐在座位上时,常会把手机放在充电基座上面;不幸的是,这种做法不但无法增加行动电话的待机时间,使用者还可能发现它们的待机时间越来越短,因为他已在不知不觉中减少了电池容量,原因就是他一直让电池处于非常高的充电状态。对于内置电池的应用,这种现象特别容易造成困扰,因为它们的电池很不容易更换。

藉由将智能分布至电池充电程序,这个问题即可避免。智能型电源管理系统不会将电池充电至它的最大容量 (maximum capacity),而是监测电池的电力,等到电力使用量达到某个程度时,才开始对电池充电。充电程序结束后,智能型电源管理系统会等待电力再度下降,当电力减少至另一个默认值时,充电程序就会重新恢复。这种方式使得充电水准达到满电位容量附近的狭小范围内,避免电池因为长时间处于最大充电状态而受到损坏。

不但如此,包含分布式智能的未来电源子系统还会提供更强大的适应性和弹性,进而减少整个系统的功耗;举例来说,未来的智能型交换式电源子系统将能够预测它们的操作情形,只要根据特定的电源使用模式,这些电源系统就知道如何迅速做出反应,甚至在系统需求出现之前,就先调整自己的操作模式以配合这些需求。这种技术能够延长系统的待命和操作时间,并对使用者的要求和命令更快做出反应,进而降低功耗,提升使用者的满意度。

扩大行动电话电源技术的应用范围

电源系统设计还有另一项主要趋势,就是把行动电话的设计技巧及作业方法带给其它的可携式应用。许多系统会和手机汇聚在一起,PDA就是个例子,这类系统很适合采用行动通讯手机率先发展的电源方法;除此之外,还有其它看起来并不相关的应用,例如数字相机,也开始采用同样的创新电源功能。

我们也可以把行动电话用于背光照明及彩色屏幕的多种电源技术转移至PDA和数字相机应用,这是扩大行动电话电源技术应用范围的一个明显例子。TI新推出两颗高频率白光LED驱动组件TPS61042和TPS61045,它们是可调整式液晶显示器的升压转换组件,很适合用于行动电话、PDA或数字相机,为它们的小型全彩屏幕提供更良好的高阶绘图和影像画质。

这两颗组件结合在一起,就能支持任何种类的可携式应用,协助它们控制彩色液晶屏幕亮度,同时加强影像、绘图和文字的显示画质。TPS61042以及TPS61045都能提供85%转换效率,它们还拥有1 MHz的很高开关频率,这能大幅减少所需的外部零件数目。

TPS61042是一颗高频率白光LED驱动器,提供1.8 V至6 V的输入电源范围,输出电压

最高可达28 V,并能以固定电流推动八颗LED。TPS61042可透过外接感测电阻来设定LED电流,它还包含LED亮度控制接脚,只要施加100 Hz至50 kHz范围的脉冲宽度调变讯号,即能调整LED亮度。这只控制接脚还可以将TPS61042禁能,切断它与LED的联机,避免关机过程发生电流泄漏现象。另外,TPS61042,也可利用模拟讯号控制亮度。

TPS61045是专门用来提供液晶显示器偏压的可调整式升压转换组件,不需外接任何调整零件,就能精确控制小型和中型液晶显示器的对比值。这颗转换器提供最高28 V的可设定式输出电压和真正的关机功能,可将负载与输入电源完全切断,为显示器提供开机和关机顺序的控制能力。

行动电话还带动另一个发展趋势：它可以使用多种不同电源对电池进行充电,这项功能目前也为其它应用所采用。举例来说,新型电源管理零件可以选择USB连接端口或是外接式电源供应器做为行动电话、数字相机或PDA的电池充电来源,例如TI电池充电组件系列bqTINYTM (bq2401x, bq2402x) 的最新产品就能随着系统电源的不同,自动选择适当电源做为电池充电来源;在空间有限的可携式应用中,这颗新组件为使用者提供更多的系统充电选项,确保使用者能对产品更加满意。

bqTINY-II是TI最新推出的电池充电组件,它为电源系统设计人员带来一套整合式解决方案,提供自动电源选择、功率FET和电流传感器、高精准度的稳流和稳压能力、充电状态显示和充电中止功能 - 全部整合至单颗组件。

当bqTINY-II透过USB连接至电源时,它可以在两种预设的充电速率中选择其一,分别是100 mA和500 mA。若将外接式电源供应器连接至bqTINY-II,这颗组件就会透过它所内建的功率FET晶体管,以1 A速率对电池进行充电。bqTINY-II还包含整合式电流传感器,它的电流值还能设定,使工程师享有更大设计弹性,不再需要体积庞大的外接式感测电阻。

bqTINY-II采用整合式逆向电流阻隔 (reverse-blocking) 保护机制,可以防止电池未接直流供应电源时发生漏电现象,其它整合功能还包括稳流和稳压、预先充电和快速充电阶段的安全定时器、可以提供给LED或是微控制器使用的充电状态输出信号以及温度感测功能。bqTINY-II的智能在于它的操作算法能够缩短充电时间、使电池的充电量达到最大值以及保护电池不受高温或电压伤害。当电池达到满电位容量,bqTINY-II会将充电程序暂停,等到电池电压回落到某个临界值,这颗组件才重新开始充电程序,使电池的电力水准回到事先定义的满电位容量。

bqTINY-II支持三阶段的充电程序,包括预先充电调节阶段、定电流充电阶段以及许多设备制造商都要求的高精准度固定电压充电阶段。bqTINY-II的功耗极低;事实上,当系统未连接至这两种电源时,bqTINY-II就会进入低功耗睡眠模式,它此时只会从电池汲取非常少的电力。

分布式数字智能

数字芯片技术的许多优点正迅速获得行动装置的电源系统所采用,数字技术也开始取代电源系统设计中常见的模拟零件,而在造成这股风潮的诸多原因当中,最重要的就是数字技术能提供更高阶的芯片整合度。随着数字组件成为电源系统的主要零件,新的机会也开始出现,可将数字智能分布至整个电源系统,进而改善电源使用率、降低功耗和提升整个主机系统的作业能力。就许多方面而言,行动电话市场在先进数字电源技术的实作确实居于领先地位,但现在包括PDA、数字相机和行动网络家电在内,许多其它应用也开始采用行动电话率先探索的电源系统创新功能,这会让电源供应从独立电路变成系统外围,并与操作系统结合在一起,使得系统可用电源能够发挥它们的最大效益。