便攜式MP3播放器的電源方案

根據(jù)最新的市場研究報告，2005年市場對消費電子設(shè)備的需求依然旺盛，而便攜式媒體播放機(jī)在消費電子產(chǎn)品中的市場增長尤其迅速。消費者不僅要求在 更小的外形中擁有更多的功能，而且還要求有更長的工作時間。盡管電池技術(shù)與低功耗半導(dǎo)體器件所取得的進(jìn)展可幫助工程師進(jìn)行滿足這些要求的設(shè)計，但消費者越 來越高的要求仍然給電源設(shè)計工程師提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，反過來，電源設(shè)計工程師在電子設(shè)計中扮演的角色也越來越重要。本文給出了一整套便攜式媒體播放機(jī)的電 源管理解決方案，利用高精度電池容量計來從電池及高效開關(guān)電源轉(zhuǎn)換中獲取“最后一點能量”，最大限度的發(fā)揮電池能量，采用封裝尺寸較小的高集成度器件，最 大限度減少了外部器件，有助于節(jié)省板空間，減小體積、重量

創(chuàng)新的解決方案

　　典型便攜式媒體播放機(jī)由幾個部分組成。由于目前鋰離子電池能量密度的提高，以及低功耗媒體處理芯片的發(fā)展，媒體播放機(jī)一般采用鋰離子電池來供電。主 系統(tǒng)包括中等尺寸、帶有3～5in 對角線屏幕及至少VGA分辨率的薄膜晶體管(TFT) 彩色LCD顯示器，屏幕一般用白光LED來作背光以獲得最佳色彩呈現(xiàn)；用于媒體存儲的大容量存儲器由直徑只有1in 大小的微型硬驅(qū)提供，數(shù)據(jù)可通過高速USB端口進(jìn)出設(shè)備；處理系統(tǒng)由受大容量存儲器支持的視頻編解碼引擎組成；此外，像FM調(diào)諧器芯片和數(shù)碼相機(jī)模塊等其 他附加器件亦可成為系統(tǒng)的組成部分。

　　很明顯，所有這些功能都需要數(shù)種不同的電壓以及一定數(shù)量的電源。電池必須能再充電并進(jìn)行有效的管理，且必須盡可能地從3.3 ～4.2V電池電壓轉(zhuǎn)換為1.2V的低電源電壓，否則將很難達(dá)到16小時的音頻播放時間與5小時的視頻播放時間。

圖1：用于便攜式媒體播放機(jī)的典型電源子系統(tǒng)

　　圖1顯示一種用于便攜式媒體播放機(jī)的電源子系統(tǒng)。鋰離子電池充電器可安全精確地給電池充電，同時，一個精確容量計量器件可確定電池的充電狀態(tài)，并幫 助系統(tǒng)工作至耗盡最后一分鐘電源能量。幾個電源轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將電池電壓轉(zhuǎn)換為必要的系統(tǒng)電壓。首先必須給帶有顯示控制器及背光的TFT LCD顯示器供電。用于給存儲器及其他器件供電的主3.3V電源，一般要求能達(dá)到1A的較高電流；而用于給硬驅(qū)供電的主3.3V電源，則一般單獨從主電源上產(chǎn)生，因為它需要由系統(tǒng)來單獨控制，以便在不需要時停用以節(jié)省電池能量。處理引擎可能需要好幾種超低內(nèi)核電壓（如1.2V或1.8V等）；音頻可能需要 用一個線性調(diào)整器作后續(xù)電源，以濾除來自開關(guān)調(diào)整器的噪聲。在某些情況下，可能還需要產(chǎn)生用于USB的5V電壓。

圖2：從兩個帶動態(tài)功率管理的直流輸入上進(jìn)行線性充電的解決方案

　　圖2所示的電池充電器電路可管理幾種輸入源，如來自計算機(jī)及外設(shè)的USB端口與AC/DC墻式適配器等。單鋰離子電池應(yīng)用中的很多充電器IC，一般 都只能承受6V左右的輸入電壓，這要求對墻式電源進(jìn)行調(diào)整，因為即使電源額定為5V輸出，某些“廉價”變壓器與橋式整流器電源的開路電壓亦可超過10 V。但以下電路在適配器引腳（交流）上提供有額定18 V的輸入電壓，以保護(hù)系統(tǒng)免受直流電源線上過電壓的沖擊，并允許使用簡單的不穩(wěn)定墻式電源，而這種電源可采用低成本變壓器及橋式整流器，從而進(jìn)一步減少整 體系統(tǒng)成本。

　　圖2所示電路將電池看成是通過充電器與系統(tǒng)相連的另一個直流電源，這使得充電IC可完全控制整個電流，并決定進(jìn)入電池的實際充電電流以及由系統(tǒng)拽取 的電流。因此，在電池充電及系統(tǒng)運行時，不會發(fā)生不適當(dāng)?shù)某潆姸私印４送猓摻鉀Q方案還具有動態(tài)功率管理功能，可在系統(tǒng)與電池之間分配可用直流輸入功率。 如果系統(tǒng)電流增加，則電池充電電流會自動減少，從而滿足整體功率預(yù)算，這有助于進(jìn)一步減少成本。所有用于控制USB電源與AC/DC墻壁插座之間輸入功率 管理的必要充電與切換晶體管，都集成在一塊芯片上，從而可極大地簡化充電器電路并消除昂貴且占用空間的外部器件。此外，充電器還能提供所有電池管理功能， 從而確保根據(jù)廠商提供的最長工作時間指標(biāo)來對電池進(jìn)行快速、精確及安全的充電。

　　為進(jìn)一步改善電池管理，還可用電池容量計來精確確定電池的剩余容量。圖1所示的庫侖計芯片可測量進(jìn)出電池的電量，并將其轉(zhuǎn)換成以系統(tǒng)毫安小時 (mAh) 表示的電池容量等有用信息。這使得處理器能通過有效地部署省電模式來更好地管理功耗，并當(dāng)電池需要充電時提醒最終用戶。

　　媒體播放機(jī)中的電源轉(zhuǎn)換主要采用開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器，以提高電源轉(zhuǎn)換效率——尤其當(dāng)輸出電流超過300mA甚至達(dá)到1A時。當(dāng)用于電壓調(diào)整時，線 性調(diào)整器一般被認(rèn)為是一種小型及低成本解決方案，但在這些電流指標(biāo)上，它們會由于功耗過高而要求使用龐大及昂貴的散熱器件。這是由于供電時較大的輸入－輸 出差與輸出電流所致，例如，從3.6V鋰離子電池轉(zhuǎn)換至1.2V電壓等。線性穩(wěn)壓器僅能以33%的效率進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換，這是消耗電池功率并產(chǎn)生熱量的主要原 因，而DC/DC轉(zhuǎn)換器卻能很好地以高于90%的效率工作，只消耗LDO所消耗功率的一小部分。線性穩(wěn)壓器的另一個缺點是只能降壓，而DC/DC穩(wěn)壓器則 既能升壓又能降壓。

圖3：采用晶圓級芯片大小封裝（WLCSP）的同步白LED驅(qū)動器

　　圖3和圖4是可滿足顯示器背光及處理器內(nèi)核電源要求的高效電源轉(zhuǎn)換器例子。目前，彩色顯示器的逐漸普及，促使人們更多地將白光LED用于彩色顯示器 背光。白光LED的正向壓降可為2.5V與4.5V之間的任何值。今天的媒體播放機(jī)、PDA及智能電話的顯示器尺寸，常常需要用多個白光LED來獲得適當(dāng) 的背光，這就要求連成一串的5個LED上的電壓達(dá)到20V。圖3顯示一種帶恒定LED電流調(diào)整及亮度控制的高效、電感型DC/DC升壓調(diào)整器解決方案。

　　除了以高達(dá)80%的效率來驅(qū)動顯示器背光外，圖3所示解決方案還在空間節(jié)省方面有好幾項創(chuàng)新。白光LED驅(qū)動器完全同步，這意味著DC/DC升壓轉(zhuǎn) 換器的典型二極管被一個集成到封裝中的可控FET開關(guān)所取代，從而允許在關(guān)機(jī)期間將負(fù)載斷開，以避免產(chǎn)生電池泄漏電流。精心設(shè)計的IC還允許使用1μF及 220nF的極小輸入/輸出電容。為減小占板空間，該器件還采用了管芯大小封裝，從而使尺寸只有器件硅面積那么大，這能將器件的占板空間減小一半。通過 ILED引腳實現(xiàn)可設(shè)置LED亮度，而無須連續(xù)使用PWM、模擬信號。

圖4：帶小型器件與封裝的高頻3MHz DC/DC 轉(zhuǎn)換器

　　為給編解碼器引擎提供1.8V和500mA的內(nèi)核電源，可使用另一個帶集成FET的全集成同步DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，以優(yōu)化效率并最大限度減少所使 用的外部器件數(shù)量。當(dāng)輸出電流大于300mA時，基于有電感的開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器常常能提供大的功率。與DC/DC控制器相比，全集成DC/DC轉(zhuǎn)換 器可進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償，這意味著設(shè)計工程師既不需要選擇外部晶體管、也不需要用昂貴及難以使用的設(shè)計軟件來分析補(bǔ)償與穩(wěn)定條件。利用數(shù)據(jù)資料中給出的建議電感 值，選擇器件是一件非常容易的事。

　　圖4所示的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器解決方案展示了幾種空間節(jié)省特點。由于兩個開關(guān)晶體管均為集成，故電路只需要一個電感及兩個4.7μF輸入/輸出電 容。一般地講，開關(guān)頻率最好大于1MHz，以便能使用小電感并限制對音頻波段的干擾。但這種頻率卻足以對無線射頻頻段造成干擾。該器件擁有獨特的控制架 構(gòu)，可使電源對負(fù)載瞬變迅速做出反應(yīng)，并保持很高的電壓調(diào)整精度。更高的3MHz開關(guān)頻率還可將電感值減小至1μH，從而允許使用低高度片狀電感。與白光 LED驅(qū)動器類似，該器件也提供有管芯大小封裝，可將IC尺寸減小一半。整個解決方案可安裝至5mm×5mm空間中。為進(jìn)一步減少功耗，圖4所示的高級 DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有自動PFM/PWM模式轉(zhuǎn)換功能，以提高對不同負(fù)載的轉(zhuǎn)換效率。在低負(fù)載電流時，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制 (PFM)，而當(dāng)負(fù)載電流超過50mA時，則采用脈寬調(diào)制 (PWM) 控制方案。\