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        電源管理集成電路的復(fù)用設(shè)計(jì)

        2015-11-05 02:24:56肖麗榮劉志剛
        中國(guó)科技信息 2015年6期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        肖麗榮劉志剛

        1.炬芯(珠海)科技有限公司電源技術(shù)架構(gòu)部;2.珠海美蓓亞精密馬達(dá)有限公司無刷馬達(dá)事業(yè)部

        電源管理集成電路的復(fù)用設(shè)計(jì)

        肖麗榮1劉志剛2

        1.炬芯(珠海)科技有限公司電源技術(shù)架構(gòu)部;2.珠海美蓓亞精密馬達(dá)有限公司無刷馬達(dá)事業(yè)部

        本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩(wěn)壓器LDO電路的電路復(fù)用,不但節(jié)省了SOC面積,還兼顧了低功耗和優(yōu)性能,保證了方案的可靠性和穩(wěn)定性。

        概述

        很多鋰電池供電的便攜設(shè)備都會(huì)將降壓直流-直流轉(zhuǎn)換(DC-DC)電路集成到片上系統(tǒng)(System-On-Chip,簡(jiǎn)稱“SOC”)中,并使用降壓DCDC電路來延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。降壓DC-DC電路的特點(diǎn)是電池的轉(zhuǎn)換效率高,開關(guān)噪聲大,其開關(guān)頻率在幾百KHz到幾MHz。

        集成有降壓DC-DC電路的SOC所在的便攜設(shè)備既支持音頻和視頻的播放,同時(shí)也支持收音機(jī)或射頻(Radio Frequency,簡(jiǎn)稱“RF”)等功能。實(shí)現(xiàn)播放音頻或視頻等功能的電路對(duì)高頻噪聲(如MHz級(jí)別或以上)的干擾并不太敏感,但是諸如實(shí)現(xiàn)收音機(jī)功能的電路對(duì)高頻噪聲的干擾就非常敏感了,甚至由于高頻噪聲的干擾會(huì)導(dǎo)致某些頻段的電臺(tái)無法被接收到。這些高頻噪聲干擾的一個(gè)主要來源是便攜設(shè)備中電源管理電路中的降壓DC-DC電路。

        目前,為了解決實(shí)現(xiàn)收音機(jī)等功能的電路不受降壓DC-DC高頻噪聲干擾的一個(gè)主要方法是便攜設(shè)備中不使用降壓DC-DC電路,而使用低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,簡(jiǎn)稱“LDO”)電路,LDO電路的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低,無開關(guān)噪聲。因此,使用LDO電路的便攜設(shè)備就不會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲,但是其缺點(diǎn)是電池的使用效率低,續(xù)航能力差。

        本文的目的在于提供一種電源管理集成電路,使得在SOC中實(shí)現(xiàn)降壓DC-DC電路和LDO電路的復(fù)用,在盡可能節(jié)省SOC面積的同時(shí),兼顧低功耗和優(yōu)性能。

        基本電路及工作原理

        該集成電路包含了:電源功率管Q1、電源功率管Q2、電源功率管Q3、電感L1、控制器C1、反饋電路F1以及使能信號(hào)1和使能信號(hào)2。使能信號(hào)1和使能信號(hào)2可由總線配置其有效性。在同一時(shí)間段,使能信號(hào)1和使能信號(hào)2擇一有效。

        當(dāng)使能信號(hào)1有效時(shí),上述電路按照降壓DC-DC的方式進(jìn)行工作。其工作原理可以簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段:第一階段控制器C1控制電源功率管Q1導(dǎo)通、電源功率管Q2和Q3關(guān)斷,這時(shí)VIN(輸入電壓)給電感L1充電,同時(shí)也給VOUT供電。第二階段控制器C1控制電源功率管Q1關(guān)斷、電源功率管Q2導(dǎo)通、電源功率管Q3關(guān)斷,這時(shí)電感L1放電給VOUT(輸出電壓)以及VOUT上的負(fù)載。第三階段控制器C1控制電源功率管Q1和Q2關(guān)斷、電源功率管Q3導(dǎo)通,這個(gè)階段發(fā)生的條件是電感電流為0時(shí),為了防止電感電流震蕩產(chǎn)生電磁干擾 (Electromagnetic Interference,簡(jiǎn)稱“EMI”),所以將電源功率管Q1和Q2關(guān)斷,并將Q3導(dǎo)通,即將電感L1中的多余能量通過Q3消耗掉。反饋電路F1對(duì)輸出電壓VOUT進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)VOUT電壓低于特定值時(shí)通知控制器C1,控制器C1通過輸出信號(hào)CQ1、CQ2和CQ3來控制電源功率管Q1、Q2和Q3,從而保證DC-DC可正常穩(wěn)定的工作。由于Q1、Q2和Q3反復(fù)開關(guān)給電感和輸出端充放電,可以看到SW這個(gè)節(jié)點(diǎn)有周期性的開關(guān)波形,對(duì)應(yīng)的電感電流也是周期性變化的,開關(guān)周期大約在幾百KHz到幾MHz。在DCDC工作方式下,輸入端VIN的電能通過電感存起來再釋放給輸出VOUT,沒有過多的能量損失,因此其電源利用效率很高,通??梢愿哌_(dá)90%或以上的轉(zhuǎn)換效率。

        當(dāng)使能信號(hào)2有效時(shí),上述電路按照低壓差線性穩(wěn)壓器LDO的方式工作。其工作原理為控制器C1控制電源功率管Q2處于完全斷開狀態(tài),控制電源功率管Q3處于完全導(dǎo)通狀態(tài),以及控制電源功率管Q1工作在可變電阻區(qū),反饋電路F1對(duì)輸出電壓VOUT進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)VOUT電壓略低于特定值時(shí),控制器C1通過輸出信號(hào)CQ1來減小Q1的導(dǎo)通電阻;當(dāng)VOUT電壓略高于固定值時(shí),控制器C1通過輸出信號(hào)CQ1來增大Q1的導(dǎo)通電阻,最終使輸出VOUT穩(wěn)定在固定的電壓值上。由于Q2完全斷開, Q3完全導(dǎo)通,且Q1工作在可變電阻區(qū)呈現(xiàn)逐漸變化阻抗的特性,因此SW這個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有周期性變化的開關(guān)波形,而是與VOUT基本相等的平滑的電壓波形,因此LDO工作方式不會(huì)帶來開關(guān)噪聲。然而,由于Q1工作在可變電阻區(qū),輸入端VIN的電能會(huì)以電阻熱耗的形式有部分浪費(fèi)在Q1上,導(dǎo)致電源利用效率較低。比如鋰電池3.8V的輸入通過LDO方式生成1.8V的輸出,那么效率只有47.3%。

        圖1 

        在集成了上述電路的便攜設(shè)備中,當(dāng)播放音頻及視頻時(shí),可以通過總線配置使使能信號(hào)1有效而使能信號(hào)2無效,此時(shí)該集成電路工作在DC-DC模式,保證了低功耗;當(dāng)播放收音機(jī)和藍(lán)牙通訊等RF應(yīng)用時(shí),通過總線配置使使能信號(hào)2有效而使能信號(hào)1無效,此時(shí)該集成電路工作在LDO模式,保證了優(yōu)性能。

        由于電路的組成器件等同于降壓DC-DC電路的組成器件,并未額外增加用于實(shí)現(xiàn)LDO電路的器件,根據(jù)不同的使能信號(hào),對(duì)各電源功率管進(jìn)行相應(yīng)的控制,實(shí)現(xiàn)不同使能信號(hào)所對(duì)應(yīng)的電路。從而可以在不增加額外器件的情況下,在SOC中實(shí)現(xiàn)降壓DC-DC電路和LDO電路的復(fù)用,不但節(jié)省了SOC面積,同時(shí)可以根據(jù)需要決定采用功耗更低的降壓DC-DC電路,還是采用性能更好的LDO電路,兼顧了低功耗和優(yōu)性能,保證了應(yīng)用方案的可靠性和穩(wěn)定性。

        結(jié)語(yǔ)

        該電源管理集成電路實(shí)現(xiàn)了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩(wěn)壓器LDO電路的電路復(fù)用,不但節(jié)省了SOC面積,還兼顧了低功耗和優(yōu)性能,保證了方案的可靠性和穩(wěn)定性。

        10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.052

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