可攜式產品涵蓋音訊、視訊及無線通訊產品。不斷增加的功能需求,使電池供電的電源管理變得愈加複雜,同時電源轉換中功率損耗產生的熱量對設計工程師造成新的挑戰。本文從系統電源管理的角度,分析熱量的產生並結合實例,提出因應的熱管理方案。
現今的可攜式產品涵蓋各式各樣的音訊、視訊及無線通訊產品,如蘋果的iPod MP3播放器、可攜式多媒體播放器(PMP)、身歷聲藍牙耳機和3G手機。最新的3G手機,除具有通話的基本功能外,還可以流覽網頁、發送電子郵件、拍攝數位照片、玩遊戲以及播放視訊流。PMP採用大容量硬碟,可以儲存和播放電影、音樂,拍攝和流覽照片,錄製/重播電視節目。PMP日益成為掌上娛樂中心。
(圖一)為可攜式多媒體播放器(PMP)內部功能簡圖。基於ARM+DSP的方案,實現音/視訊編解碼,同時支援多種外接設備和存取媒體,以及有線和無線網路連結。
《圖一 可攜式多媒體播放器(PMP)內部功能簡圖》 |
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為支援不斷增加的功能,PMP電源管理電路變得越來越複雜。圖一中的電源管理單元包含鋰電池充電、電量監測以及將電池電壓(2.8V-4.2V/節)轉換為系統各晶片所需工作電壓的電壓轉換元件。電源的轉換效率不可能達到100%,在轉換過程中必定存在功率損耗,這種損耗的功率被轉換為熱量。
可以採用低壓差線性穩壓器(LDO),電荷泵和基於電感的DC/DC轉換器將電池電壓轉換成系統所需的不同工作電壓。(表一)列出了三種電壓轉換元件的優缺點以及產生熱量的大小。
表一 三種電壓轉換元件特點比較
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LDO
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DC/DC轉換器
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電荷泵
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效率 |
低 |
高 |
中 |
輸出電流 |
低到中 |
低到高 |
低 |
輸出噪聲 |
低 |
高 |
中 |
升壓 |
否 |
是 |
是 |
降壓 |
是 |
是 |
是 |
設計複雜程度 |
高 |
低 |
中 |
尺寸體積 |
小 |
大 |
中 |
外部元件 |
少 |
多 |
中 |
熱管理 |
差到中 |
最佳 |
中 |
從表中可以看出,低壓差線性穩壓器(LDO)只能將輸入電壓轉換為更低的輸出電壓。在實際應用中,其功耗為P=(VIN-VOUT)IOUT。當輸入與輸出電壓相差較大,且輸出電流也大的情況下,LDO本身消耗的功率就非常大,並產生相應的熱量。LDO特別適合於低電流、壓差較小或對電源雜訊要求較高的場合。
電荷泵採用電容來實現能量轉換,可實現反壓、倍壓和穩壓等變換,效率為80%左右。受電容容量及尺寸限制,電荷泵輸出電流和電壓都有限。在可攜式產品中,電荷泵可用來驅動並聯的白光LED或做為拍照時的閃光燈。
DC/DC轉換器採用低阻抗的開關(如MOSFET)以及電感等儲能元件,實現降壓和升壓等轉換。DC/DC轉換器減小了電壓變換過程中的功率損耗,效率高達90%以上。同時開關頻率很高(可達2MHz以上),減小了外部電感和電容的尺寸。合適的DC/DC轉換電路在系統中產生最低的熱量。
可攜式產品為便於攜帶,要求外形小、重量輕。產品內只有密集封裝的元件和印刷電路板,通常不會使用風扇進行冷卻。系統中電源管理部分和其他功能單元(硬碟和螢幕等)產生的熱量,對設計工程師提出新的挑戰。對可攜式設計中的熱管理,應採用系統的方法,分析熱量的產生,並從元件的選擇,系統內溫度監控和熱量管理等方面尋求相應的解決方案。以下以PMP為例來探討可攜式設計的熱量管理。
系統熱分析
PMP採用單節鋰電池供電,(圖二)為系統中能量的流動線路圖,紅色箭頭顯示電流的流動方向。
從分析可知:鋰電池充電電路、鋰電池、電壓變換器件(LDO和DC/DC轉換器)、ARM+DSP的核心處理晶片和硬碟在工作時都消耗電流,並產生功率損耗。可分別計算出這些元件的功率損耗和產生的熱量。值得注意的是,在充/放電過程中,鋰電池內部發生化學反應,也會產生熱量。
熱管理解決方案
一旦瞭解系統中熱量產生的源頭,就可以在電路設計和元件選擇上全盤考慮,以優化的方案,給系統提供電源管理,同時提供可靠的熱管理。(圖三)從熱管理的角度提出解決方案。圖三的方案可分為鋰電池充電及電量監測、電壓變換、系統溫度監測和熱管理三部分,結合鋰電池充電、電量監測、LDO及DC/DC轉換器、溫度感測器和低功耗單晶片等產品,實現可靠、智慧、高效的熱管理。
鋰電池充電及電量監測
PMP中鋰電池採用線性充電,還採用電池電量監測晶片,向系統提供精確的容量等資訊。這部分電路中的熱量產生源包括:充電過程中線性充電IC的功耗;電流過流保護MOSFET以及充/放電過程中,鋰電池內部化學反應產生熱量。線性鋰電池充電晶片充分考慮到熱管理方面的需求:
- ●最大1.2A充電電流,根據電池容量,透過外接電阻來設置充電電流,減少充電過程的功耗;
- ●外接NTC,即時監測電池溫度,當電池溫度過高或過低時終止充電,並警告指示;
- ●晶片本身具有熱調節功能,當晶片內部溫度超過155℃,自動減少充電電流,避免晶片因過溫而失效;
- ●採用具有良好的散熱性能的QFN封裝。
另外,單節鋰電池電量監測晶片,透過SMBus介面與系統通信,提供電池電量及電壓、電流、溫度等資訊。
電壓變換
透過對三種電壓變換元件的分析,在可攜式應用中提高電源轉換效率至關重要。從熱管理的角度看,盡可能選用集積度較高,封裝散熱效果好的LDO。圖三中TC1302是3x3mm DFN封裝的雙路LDO,具有300mA和150mA輸出電流,適合向CMOS照相模組、RF電路提供低雜訊供電電壓。
DC/DC轉換器因高效能而成為可攜式電源轉換的首選。高集積度的同步降壓或同步升壓元件,提供超過90%的效率。最新的DC/DC轉換器在性能提升的同時,也有將DC/DC轉換器與LDO、鋰電池充電、電量監測、電荷泵等功能單元整合在一個晶片內,構成為一個靈活而複雜的電源管理單元(PMU)。
圖三中的TC1303是一款高整合電源管理晶片,包含500mA同步降壓變換器,300mA LDO和Power-Good功能。TC1303中的同步降壓變換器,選用低導通電阻MOSFET和2MHz開關頻率,最高效率可達95%,同時具有PFM/PWM模式自動切換功能,提高輕負載時的轉換效率。TC1303採用3x3mmDFN小封裝,DFN封裝熱阻(JA為41℃/W,具有優異的散熱性能。
系統溫度監測
整個系統中的晶片和模組,特別是CPU/DSP、FPGA或硬碟等關鍵元件,在工作時會產生熱量。系統過熱,會降低晶片的性能,甚至導致故障。對整個系統各部分溫度進行監測,能夠瞭解其局部的溫度變化,在溫度過高或過熱時給使用者提示或警告。在圖三所示方案中,電量監測晶片PS810能夠提供即時電池溫度資訊。對CPU/DSP、FPGA或硬碟等元件,則可考慮增加溫度感測器。矽晶片式溫度感測器安裝在系統PCB上,或置於CPU/DSP、FPGA或硬碟附近,將溫度轉換為線性輸出的電壓;也可直接轉換成資料,通過I2C介面送到MCU處理。
雖然CPU/DSP功能非常強大,但是不斷增加的功能和音/視訊編解碼運算,使CPU/DSP負荷過重,甚至超載。選擇低功耗和少引腳的MCU,將電源管理和熱管理功能交給MCU處理:控制充電和每路電源的開/關,透過散佈在系統各部分的溫度感測器來監測系統溫度,利用I2C/SMBus等介面與電量監測晶片和核心處理器進行通訊,實現智慧和動態的電源管理。
結語:
本文從系統電源管理的角度,分析可攜式設計中熱量的產生、元件的選擇以及方案的整體考慮,並結合PMP設計實例,介紹電源管理及熱管理方案。在實際設計中,還需要在元件擺放、PCB布板等方面著重考慮,甚至借助熱模型和熱仿真分析軟體,來達到產品的最佳熱設計。(作者任職於Microchip Technology類比和介面產品)