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采用最新“便攜式”處理器的系統需要大量大電流、低壓軌，典型情況為1.8V或更低。除了無數的低壓軌，這些應用中很多還需要3V或3.3V電壓軌，以給大型便攜式硬盤驅動器、存儲器、面向外部邏輯電路的I/O電源等供電。在嵌入式應用中，視電流需求的不同而不同，所有直接連接到處理器的電源電壓都可以由高效率降壓型DC/DC或LDO產生。 近來，這種同時要求高電源效率和高處理性能的需求也已經擴展到了工業和醫療便攜式應用。作為最新和功能豐富的高端消費類便攜式設備，手持式數據收集設備、堅固耐用的庫存控制和跟蹤設備、便攜式氣體檢測儀、血液分析儀、便攜式EKG設備以及其他便攜式醫療設備，都需要類似甚至更高的電源效率和處理能力。此外，這些設備必須堅固耐用、可靠和足夠輕，這樣才能被看成是“便攜”的。 就便攜式應用而言，主電源一般是大型單節鋰離子/聚合物電池，該電源可能提供高于或低于產品中3.3V系統電源的電壓。不管這類“便攜式”處理器系統是否是電池供電的，伴隨它們而來的其他復雜性包括：需要以特定順序對所有電源的接通和斷開排序；視系統處理需求的不同而不同，要能夠動態地調高和調低電源電壓。就系統設計師而言，滿足所有微處理器和有關應用的電源需求的單個集成式解決方案極其有利。要在多種應用中滿足這些需求，就需要一個高度靈活的、可編程和高效率的多輸出電源解決方案。 圖1 LTC3589的簡化方框圖 降壓-升壓功能的設計挑戰 今天功能豐富的新式電子系統大多數仍然需要+3V范圍內的電壓軌，例如，給汽車信息娛樂系統中的I/O或者外部設備軌供電。在電源管理IC(PMIC)中集成同步降壓-升壓開關功能后，允許跨2.7～5.5V的整個輸入電壓范圍以高效率實現 3.3V調節，從而產生更高的工作裕度。不過，以降壓-升壓設計實現高效率比簡單的降壓型DC/DC轉換器挑戰性高得多，尤其是，如果要求低噪聲和良好的負載階躍瞬態響應時，更是這樣。 減少熱量，優化系統效率 很多任務業標準PMIC都帶有各種內置的線性穩壓器。不過，如果沒有用足夠的銅走線布線、散熱器或良好設計的輸入/輸出電壓和輸出電流值對線性穩壓器進行正確管理，那么線性穩壓器可能在PC板上產生局部的熱量“熱點”。或者，當輸入和輸出電壓之差很大，或如果輸出電流很大時，開關穩壓器可以提供效率更高的降壓方式。在今天具有內置低壓μP和具功能豐富的器件中，開關穩壓器的使用很普遍。因此，為大部分電壓軌部署基于開關模式的電源越來越重要了。不過，LDO提供低噪聲輸出和很高的PSRR性能，因此，必須評估這兩種權衡之策。在很多情況下，恰當的IC分區包括兩種類型的穩壓器。 今天，幾乎所有應用都對系統中的熱量很敏感。隨著處理性能和有關工作電流的上升，用開關穩壓器取代LDO變得越來越重要了。在高度集成的電源中尤其是這樣，因為單個IC散發熱量的能力是有限的。此外，視所執行的處理操作的不同而不同，實現最佳功耗需要對很多內核處理軌進行動態調節。要以較高的時鐘速率工作，較高的電源電壓是必需的。類似地，就處理任務不那么密集的工作模式而言，非常低的電壓就足夠了。既然相應的電源電流往往跟蹤輸入電源電壓，所以讓處理器以最低電源電壓工作是人們所希望的。要動態調節處理器電壓源需要諸如I2C這樣的串行端口來通報所發生的變化。今天的高端便攜式處理器幾乎全部支持這種功能，不過，利用這種功能需要一個同樣靈活和可編程的電源解決方案。 便攜式醫療和工業儀器中的電源管理問題 如同其他很多應用的情況一樣，低功率精確組件已經使便攜式醫療儀器出現了快速增長。不過，與其他很多應用不同，便攜式醫療產品除了要求重量輕以便于攜帶，一般還有高得多的可靠性、運行時間和堅固性標準。這種負擔大部分落在了電源系統及其組件上。醫療產品必須正確工作，而且視設計和輸入電源要求的不同而不同，常常必須在各種電源之間無縫切換。必須竭盡全力保護設備免受故障影響并能夠承受故障，必須在電池供電時最大限度地延長工作時間，并確保無論何時，只要有效電源存在，就能可靠運行。 此外，功率值隨著功能和有關電壓軌數量的增加而增加。除了遙遠地區應用所需維護要少、能承受極端的溫度變化以及受到機械振動或沖擊時不會損壞等要求以外，工業便攜式設備與醫療設備有很多相同的要求。 總之，系統設計師面臨的主要挑戰包括： ● 集成降壓-升壓型穩壓器 ● 在功耗與多個開關穩壓器及LDO的高集成度之間權衡 ● 集成動態I2C控制 ● 工業和醫療設備系統的可靠性和堅固性要求 ● 解決方案尺寸和占板面積 一個簡單的解決方案 過去的工業PMIC沒有足夠的功率來應對這些新式系統和微處理器。滿足上述電源管理IC設計限制的任何解決方案都必須兼有：高集成度，包括集成大電流開關穩壓器和LDO；以諸如降壓-升壓型穩壓器等難以使用的功能構件對關鍵參數進行動態I2C控制。此外，一個具有高開關頻率的器件可減小外部組件尺寸，而且陶瓷電容器可降低輸出紋波。 面向新式處理器的大功率PMIC LTC3589是一個完整的電源管理解決方案，面向基于ARM的處理器和先進的便攜式微處理器系統。該器件含有：3個同步降壓型DC/DC轉換器，分別用于內核、存儲器和SoC軌；一個同步降壓-升壓型穩壓器，用于2.5～5V的I/O；3個250mA的LDO穩壓器，用于低噪聲模擬電源。I2C串行端口用來控制穩壓器啟動、輸出電壓值、動態電壓調節和轉換率、工作模式以及狀態報告。以所希望的順序將穩壓器輸出連接到使能引腳或通過I2C端口，可對穩壓器啟動排序。通過一個按鈕接口、引腳輸入或I2C接口，可控制系統的加電、斷電及復位功能。電壓監視器和有源放電電路可在下一個使能序列之前確保一個干凈的斷電，另外，選定的穩壓器可以免除用于電源的按鈕控制(例如，存儲器，當其必須在停機模式中保持運行時)。LTC3589以8個獨立軌、恰當的功率值、動態控制和排序支持i.MX、PXA和OMAP處理器。其他特點包括VSTB引腳等提供的接口信號，該引腳同時在多達4個軌上、于設定的運行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平40引腳6mm×6mm裸露焊盤QFN封裝。 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 高集成度－支持多個大功率軌 LTC3589是一個面向便攜式微處理器和外部設備的完整電源管理解決方案。它總共提供8個電壓軌，以給處理器內核、SDRAM、系統存儲器、PC卡、始終保持接通的實時時鐘以及HDD功能組件供電。提供這些電壓軌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-升壓型穩壓器以及3個250mA的低壓差線性穩壓器。支持多個穩壓器的是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I2C接口的穩壓器控制以及大量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提供1A和1.6A的電流。就每一個采用I2C命令寄存器的降壓型穩壓器而言，降壓型穩壓器2.25MHz或1.125MHz的開關頻率(包括相位)是獨立選擇的。加電默認頻率是2.25MHz，而且含有邊緣速率調整以降低EMI。每個降壓型轉換器都有動態轉換的DAC輸入基準和外部反饋引腳，以設置輸出電壓范圍。這些降壓型穩壓器的3種工作模式──脈沖跳躍模式、突發模式(Burst Mode)工作或強制連續模式──用I2C接口設定。在脈沖跳躍模式時，穩壓器會支持100%占空比。突發模式工作在低輸出負載時有利于實現最高效率。除了電壓輸出設定點之間的最佳動態轉換控制以外，強制連續模式還在輕負載時最大限度地降低了輸出電壓紋波。 單電感器、4開關降壓-升壓型DC/DC電壓模式轉換器從2.5～5V電壓產生一個用戶可編程的輸出電壓軌。該降壓-升壓型轉換器利用專有開關算法，以高于、低于或等于所需輸出軌的輸入電壓保持高效率和低噪聲工作。降壓-升壓誤差放大器采用一個固定的0.8V基準，而且輸出電壓通過一個外部電阻器分壓器設定。突發模式工作通過I2C控制寄存器啟動。就降壓-升壓型轉換器而言，無須外部補償組件。 動態電壓軌控制和其他I2C控制的功能 LTC3589具有高端便攜式應用處理器所需的I2C控制功能、動態電壓調節(Dynamic Voltage Scaling)和可選電壓轉換設置。為了使該IC的轉換DAC基準能夠工作，3個LTC3589降壓型開關穩壓器和線性穩壓器LDO2具有可編程DAC基準輸入。每個DAC在0.3625～0.75V范圍內都是可按照12.5mV步進編程的。 也可以命令DAC基準以4個可選轉換率之一、獨立地在兩個電壓之間轉換。每個DAC都有兩個獨立的輸出電壓寄存器以及電壓寄存器選擇、轉換率和啟動控制。不必為改變DAC輸出而啟動這些穩壓器。 圖4顯示降壓型穩壓器1、2、3和LDO2以4種可能的轉換率在0.8～1.2V之間轉換，轉換由VSTB引腳(灰色)啟動。這些值是8個單獨的DAC代碼。 圖4 LTC3589動態電壓調節轉換 通用I2C串行端口用來控制穩壓器啟動、輸出電壓值、工作模式和狀態報告。LTC3589上的I2C串行端口含有13個用來控制每個穩壓器的命令寄存器、一個用來監視每個穩壓器電源良好狀態的只讀寄存器、一個用來讀取IRQ事件原因的只讀寄存器和一個清除IRQ命令寄存器。LTC3589 I2C端口支持對任何寄存器的隨機尋址，而且可以利用多種START順序、按照任何順序寫寄存器。所有寄存器都可以回讀，以驗證軟件和硬件的完整性。 |
