可携式产品涵盖音频、视讯及无线通信产品。不断增加的功能需求,使电池供电的电源管理变得愈加复杂,同时电源转换中功率损耗产生的热量对设计工程师造成新的挑战。本文从系统电源管理的角度,分析热量的产生并结合实例,提出因应的热管理方案。
现今的可携式产品涵盖各式各样的音频、视讯及无线通信产品,如苹果的iPod MP3播放器、可携式多媒体播放器(PMP)、立体声蓝牙耳机和3G手机。最新的3G手机,除具有通话的基本功能外,还可以浏览网页、发送电子邮件、拍摄数字照片、玩游戏以及播放视讯流。PMP采用大容量硬盘,可以储存和播放电影、音乐,拍摄和浏览照片,录制/回放电视节目。PMP日益成为掌上娱乐中心。
(图一)为可携式多媒体播放器(PMP)内部功能简图。基于ARM+DSP的方案,实现音/视讯编译码,同时支持多种外接设备和存取媒体,以及有线和无线网络链接。
《图一 可携式多媒体播放器(PMP)内部功能简图》 |
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为支持不断增加的功能,PMP电源管理电路变得越来越复杂。图一中的电源管理单元包含锂电池充电、电量监测以及将电池电压(2.8V-4.2V/节)转换为系统各芯片所需工作电压的电压转换组件。电源的转换效率不可能达到100%,在转换过程中必定存在功率损耗,这种损耗的功率被转换为热量。
可以采用低压差线性稳压器(LDO),电荷泵和基于电感的DC/DC转换器将电池电压转换成系统所需的不同工作电压。(表一)列出了三种电压转换组件的优缺点以及产生热量的大小。
表一 三种电压转换组件特点比较
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LDO
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DC/DC转换器
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电荷泵
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效率 |
低 |
高 |
中 |
输出电流 |
低到中 |
低到高 |
低 |
低到高 |
低 |
高 |
中 |
输出噪声 |
否 |
是 |
是 |
升压 |
是 |
是 |
是 |
降压 |
高 |
低 |
中 |
设计复杂程度 |
小 |
大 |
中 |
大 |
外部组件 |
多 |
中 |
多 |
热管理 |
差到中 |
中 |
最佳
从表中可以看出,低压差线性稳压器(LDO)只能将输入电压转换为更低的输出电压。在实际应用中,其功耗为P=(VIN-VOUT)IOUT。当输入与输出电压相差较大,且输出电流也大的情况下,LDO本身消耗的功率就非常大,并产生相应的热量。LDO特别适合于低电流、压差较小或对电源噪声要求较高的场合。
电荷泵采用电容来实现能量转换,可实现反压、倍压和稳压等变换,效率为80%左右。受电容容量及尺寸限制,电荷泵输出电流和电压都有限。在可携式产品中,电荷泵可用来驱动并联的白光LED或做为拍照时的闪光灯。
DC/DC转换器采用低阻抗的开关(如MOSFET)以及电感等储能组件,实现降压和升压等转换。DC/DC转换器减小了电压变换过程中的功率损耗,效率高达90%以上。同时开关频率很高(可达2MHz以上),减小了外部电感和电容的尺寸。合适的DC/DC转换电路在系统中产生最低的热量。
可携式产品为便于携带,要求外形小、重量轻。产品内只有密集封装的组件和印刷电路板,通常不会使用风扇进行冷却。系统中电源管理部分和其他功能单元(硬盘和屏幕等)产生的热量,对设计工程师提出新的挑战。对可携式设计中的热管理,应采用系统的方法,分析热量的产生,并从组件的选择,系统内温度监控和热量管理等方面寻求相应的解决方案。以下以PMP为例来探讨可携式设计的热量管理。
系统热分析
从分析可知:锂电池充电电路、锂电池、电压变换器件(LDO和DC/DC转换器)、ARM+DSP的核心处理芯片和硬盘在工作时都消耗电流,并产生功率损耗。可分别计算出这些组件的功率损耗和产生的热量。值得注意的是,在充/放电过程中,锂电池内部发生化学反应,也会产生热量。
热管理解决方案
一旦了解系统中热量产生的源头,就可以在电路设计和组件选择上全盘考虑,以优化的方案,给系统提供电源管理,同时提供可靠的热管理。(图三)从热管理的角度提出解决方案。图三的方案可分为锂电池充电及电量监测、电压变换、系统温度监测和热管理三部分,结合锂电池充电、电量监测、LDO及DC/DC转换器、温度传感器和低功耗单芯片等产品,实现可靠、智能、高效的热管理。
锂电池充电及电量监测
PMP中锂电池采用线性充电,还采用电池电量监测芯片,向系统提供精确的容量等信息。这部分电路中的热量产生源包括:充电过程中线性充电IC的功耗;电流过流保护MOSFET以及充/放电过程中,锂电池内部化学反应产生热量。线性锂电池充电芯片充分考虑到热管理方面的需求:
- ●最大1.2A充电电流,根据电池容量,透过外接电阻来设置充电电流,减少充电过程的功耗;
- ●外接NTC,实时监测电池温度,当电池温度过高或过低时终止充电,并警告指示;
- ●芯片本身具有热调节功能,当芯片内部温度超过155℃,自动减少充电电流,避免芯片因过温而失效;
- ●采用具有良好的散热性能的QFN封装。
另外,单节锂电池电量监测芯片,透过SMBus接口与系统通信,提供电池电量及电压、电流、温度等信息。
电压变换
透过对三种电压变换组件的分析,在可携式应用中提高电源转换效率至关重要。从热管理的角度看,尽可能选用集积度较高,封装散热效果好的LDO。图三中TC1302是3x3mm DFN封装的双路LDO,具有300mA和150mA输出电流,适合向CMOS照相模块、RF电路提供低噪声供电电压。
DC/DC转换器因高效能而成为可携式电源转换的首选。高集积度的同步降压或同步升压组件,提供超过90%的效率。最新的DC/DC转换器在性能提升的同时,也有将DC/DC转换器与LDO、锂电池充电、电量监测、电荷泵等功能单元整合在一个芯片内,构成为一个灵活而复杂的电源管理单元(PMU)。
图三中的TC1303是一款高整合电源管理芯片,包含500mA同步降压变换器,300mA LDO和Power-Good功能。TC1303中的同步降压变换器,选用低导通电阻MOSFET和2MHz开关频率,最高效率可达95%,同时具有PFM/PWM模式自动切换功能,提高轻负载时的转换效率。TC1303采用3x3mmDFN小封装,DFN封装热阻(JA为41℃/W,具有优异的散热性能。
系统温度监测
整个系统中的芯片和模块,特别是CPU/DSP、FPGA或硬盘等关键组件,在工作时会产生热量。系统过热,会降低芯片的性能,甚至导致故障。对整个系统各部分温度进行监测,能够了解其局部的温度变化,在温度过高或过热时给用户提示或警告。在图三所示方案中,电量监测芯片PS810能够提供实时电池温度信息。对CPU/DSP、FPGA或硬盘等组件,则可考虑增加温度传感器。硅芯片式温度传感器安装在系统PCB上,或置于CPU/DSP、FPGA或硬盘附近,将温度转换为线性输出的电压;也可直接转换成数据,通过I2C接口送到MCU处理。
虽然CPU/DSP功能非常强大,但是不断增加的功能和音/视讯编译码运算,使CPU/DSP负荷过重,甚至超载。选择低功耗和少引脚的MCU,将电源管理和热管理功能交给MCU处理:控制充电和每路电源的开/关,透过散布在系统各部分的温度传感器来监测系统温度,利用I2C/SMBus等接口与电量监测芯片和核心处理器进行通讯,实现智能和动态的电源管理。
结语:
虽然CPU/DSP功能非常强大,但是不断增加的功能和音/视讯编译码运算,使CPU/DSP负荷过重,甚至超载。选择低功耗和少引脚的MCU,将电源管理和热管理功能交给MCU处理:控制充电和每路电源的开/关,透过散布在系统各部分的温度传感器来监测系统温度,利用I2C/SMBus等接口与电量监测芯片和核心处理器进行通讯,实现智能和动态的电源管理。