UMPC和MID的电源系统设计挑战及解决办法

UMPC(超便携移动个人电脑)和MID(移动互联网终端)是近年来最具成长潜力的便携式电子产品。作为一种硬件设计小巧轻便的设备，通过UMPC，用户可以享受移动互联网的诸多优势，还可以在移动过程中访问多种办公应用软件以提高工作效率。而MID与UMPC类似，同样为便于携带的移动PC产品，便于用户随时享受影音娱乐、进行邮件收发等操作。

更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移动特性使得UMPC和MID产品对电源系统的性能、功耗、保护及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID产品需要向处理器、存储器、显示器和其它部分提供不同的工作电压，以减少处理器消耗的电量，延长电池的运行时间，并提高电池的供电效率。因此，本文将从UMPC和MID中的处理器、存储器、显示器这几个方面着手对其电源系统设计进行深入探讨。

多个电压轨的安排成为一大挑战

UMPC和MID设备现已成为一个集成多种功能的平台，该平台上汇集了消费者所能想象的几乎所有功能，如移动电话、网页浏览、办公软件、电子邮件、蓝牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戏、数码相机、移动电视、多媒体播放器等等。无疑，如此高的集成度将给电源系统设计带来重大的挑战，这些挑战包括高功耗、散热、高效电源管理、EMI和噪声消除等问题。飞兆半导体公司(Fairchild)资深工程师李仁果认为，解决上述挑战的途径包括：利用动态电压调节(DVS)解决方案提高功效；通过良好的电路板布局改进散热和EMI；高性能DC/DC功率模块加上具有低噪声LDO的低V_IN解决方案在设计灵活性、易用性和成本因素方面优于电源管理单元(PMU)。

在将上述多个功能模块组合在一起时，由于每一个内核芯片都有其自己的上电顺序，因此系统设计人员不能像在功能手机中那样共享电压轨。“在3×3英寸的面积中安排多达20多个电压轨是一个巨大的挑战。集成的电源解决方案应该是一个不错的解决方案。但对于芯片设计人员而言，如何在灵活性和集成度之间实现平衡是一个非常大的挑战。”德州仪器(TI)中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为表示。

但所有的功能模块并不需要在同一时间内使用，因此总体而言，电池容量足以支持功能扩展的趋势。此外，MID/UMPC并不是一个纯粹的娱乐设备，它还可作为工作的有益工具。终端用户需要知道他们可播放视频的时间长短、可上网的时间长短以及可通过Skype/MSN和客户聊天的时间长短。这样就可以分配时间并保存实现必要功能所需的电池能量。因此，在许多应用中，能够精确预测电池运行时间变得至关重要。

另一个挑战在于保持同等(甚至更长)电池工作时间，而不会显著增加电池尺寸。安森美半导体数字及消费产品部系统及应用经理Jacques Lavernhe强调，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、蓝牙等多种无线协议，除了集成电源管理集成电路(PMIC)和电源空间间隔尺度等电源管理技术，还应该特别注意节省通信设备物理层(PHY)输出的能量。在工作阶段，无线物理层一直在睡眠与工作状态之间转换。“在睡眠状态，RF功能关闭，但数字内核仍在工作。可利用动态电压调节(DVS)和动态频率调节(DFS)技术来节省大量电能。”

同样是考虑到在一个外形纤巧的设计中能实现以上所有功能以及较长的电池寿命，美信集成产品公司(Maxim)Infopower业务总监Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC设备中，需要多达30至40个电压调节器对处理器和所有外设供电。需要具有高效调节器和最少外部元件的高集成度PMIC来尽可能地延长电池寿命，并减小MID/UPMC的尺寸。

由于UMPC产品中普遍需要多个不同的电压轨(通常由单节锂离子电池来提供)，其中包括多个微处理器电压轨以及众多的特殊功能电路电压轨。因此，人们迫切要求电池能提供所需的功率。不过，电池的外形尺寸相对较小，而且功率密度也只实现了中等程度的增加。在这种情况下，电池运行时间和良好的热管理都成为了重要的卖点，对于非常紧凑且具有高效率的多输出同步转换器的需求便应运而生。

转换效率上的提升使得同步降压、升压或降压-升压型转换器与传统的线性稳压器相比，在电池运行时间上获得了实质性的改善。此外，这些转换器还提供了约95%的效率，并免除了增加任何散热装置的需要。凌力尔特公司(Linear)针对便携式电源管理应用提供的产品拥有许多独特优势，包括：高开关频率(高达8MHz)、高效转换(以最大限度地减少热问题)、轻负载时的高效率、待机模式中的非常低静态电流(低至9μA)和高集成度(内置了集成MOSFET和肖特基二极管)。该公司近期推出的多输出同步降压和降压-升压型稳压器系列即可提供这种超紧凑型的高效率解决方案(如LTC3544、LTC3545等)。

在低成本、外型轻薄和具有移动上网功能的前提下，UMPC/MID的电源设计还必须摆脱传统个人电脑外部零件复杂、具有较高的输出噪声和待机功耗、较高BOM成本等限制。为此，阿瑟莱特科技(AXElite Technology)针对UMPC/MID推出了兼具极少外围组件和超低压差的1A～5A ULDO线性稳压器，并且为达到产品轻巧和对省电的要求，根据Intel ATOM或VIA NANO平台上配置的UMPC/MID电源所需提供的各种低电压转换要求来提供稳定的电源供应方案。例如，1.5V转1.2V稳定供给802.11/蓝牙无线模块所需的1A～5A电源管理方案，可将外部组件减到最少并且纹波噪声比传统开关式稳压器更低。

面向处理器功耗优化的电源管理

UMPC/MID设备中常用的微处理器具有多个低电压轨，在接通和停机期间必须对这些电压轨进行正确的上电操作。这些低电压轨通常包括CPU内核电压、I/O和一些存储器。此外，CPU内核电压还会视所需处理电平的不同而改变，因而要求电源对其电压进行动态调节，以达到优化功耗的目的。

凌力尔特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降压型稳压器，能够提供双通道600mA和双通道400mA连续输出。每个通道均可通过板上I²C接口(两个通道通过I²C，另两个通道则通过RUN引脚)进行独立控制(包括输出电压)，从而使其非常适合于那些要求对输出电压实现动态调整的应用(如微处理器)。

LTC3562采用一种恒定频率和电流模式架构，工作输入电压范围为2.85V至5.5V，因而使其成为单节锂离子/锂聚合物电池或多节碱性/镍镉/镍氢电池应用的理想选择。LTC3562有两个通道(600mA和400mA)，可通过将反馈电压设置在425mV至800mV之间(利用I²C接口)来调节输出电压。另两个通道则提供了固定输出电压，可利用I²C接口将输出电压设置在600mV至3.775V之间(以25mV为梯级)。这种输出电压独立控制水平使得该器件非常适合于管理便携应用中所常见的多个电源轨。

德州仪器(TI)的张洪为对此亦有认同，“为尽可能地减少能耗，可采用多个电压轨。我们使用该技术将电池的工作时间几乎延长了一倍。今后人们还将不断降低电压，但就电压降低而言，系统的不同部件具有不同的问题和步骤，因此将会出现更多的电压轨。”他认为，一种较简单的解决方案就是采用低压输入 LDO。利用这种技术的支持，就可以从邻近的电压轨得到多个电压轨并保持最高效率。例如，可以从1.8V的电压轨获得1.6V PLL电压，并以最低的成本保持89%的效率。TI最近推出的许多PMU均采用低输入LDO，如TPS65051。

虽然处理器要执行从音视频播放、互联网浏览到游戏等大量任务，但它仍然需要在一段较长时间内保持待机状态。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，处理器的功耗可能在几微安到数安培之间变化，给处理器供电的电压调节器需要在所有负载条件下都提供高效率。此外，电压调节器还应提供动态电压调节、极高的电压精度以及负载瞬态响应，以满足处理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load专利技术的MIC23031调节器可以在各种负载条件下提供很高的效率。