面向新式uP的高性能、高集成度电源IC：打入工业和医疗市场

背景

飞思卡尔、迈威尔、ARM 和其它半导体厂商设计的高电源效率微处理器 (uP/CPU) 系列在日益扩充，目的是为多种无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能的处理能力。这些微处理器产品开始时的设计意图是帮助消费电子产品 OEM 开发电池寿命更长、体积更小和更经济实惠的便携式手持设备，同时提供增强的处理性能，以运行功能丰富的多媒体消费类应用。

要实现更高的处理能力同时又不提高系统功耗，需要在电流日益提高的同时以更低的电压工作。或者由于应用的需要，或者由于工艺技术的线宽，便携式和嵌入式系统都含有各种为以不同电压工作而优化的组件。最终结果是，采用最新“便携式”处理器的系统需要大量大电流、低压轨，典型情况为 1.8V 或更低。除了无数的低压轨，这些应用中很多还需要 3V 或 3.3V 电压轨，以给大型便携式硬盘驱动器、存储器、面向外部逻辑电路的 I/O 电源等供电。在嵌入式应用中，视电流需求的不同而不同，所有直接连接到处理器的电源电压都可以由高效率降压型 DC/DC 或 LDO 产生。

近来，这种同时要求高电源效率和高处理性能的需求也已经扩展到了工业和医疗便携式应用。作为最新和功能丰富的高端消费类便携式设备，手持式数据收集设备、坚固耐用的库存控制和跟踪设备、便携式气体检测仪、血液分析仪、便携式 EKG 设备以及其它便携式医疗设备，都需要类似甚至更高的电源效率和处理能力。此外，这些设备必须坚固耐用、可靠和足够轻，这样才能被看成是“便携” 的。不过，在所有情况下，不管是什么应用，要正确控制和监视微处理器的电源系统，并确保用这些处理器可能实现的所有效率优势，必需有一个高度专业的、高性能电源管理伴随 IC。

就便携式应用而言，主电源一般是大型单节锂离子/聚合物电池，该电源可能提供高于或低于产品中 3.3V 系统电源的电压。诸如手持式终端、条码扫描仪、RFID 阅读器等应用需要一个降压-升压型电源以产生 3.3V 轨。不管这类“便携式”处理器系统是否是电池供电的，伴随它们而来的其它复杂性包括：需要以特定顺序对所有电源的接通和断开排序；视系统处理需求的不同而不同，要能够动态地调高和调低电源电压。就系统设计师而言，满足所有微处理器和有关应用的电源需求的单个集成式解决方案极其有利。要在多种应用中满足这些需求，就需要一个高度灵活的、可编程和高效率的多输出电源解决方案。

今天功能丰富的新式电子系统大多数仍然需要 +3V 范围内的电压轨，例如，给汽车信息娱乐系统中的 I/O 或者外部设备轨供电。在电源管理 IC (PMIC) 中集成同步降压-升压开关功能后，允许跨 2.7V 至 5.5V 的整个输入电压范围以高效率实现 3.3V 调节，从而产生更高的工作裕度。不过，以降压-升压设计实现高效率比简单的降压型 DC-DC 转换器挑战性高得多，尤其是，如果要求低噪声和良好的负载阶跃瞬态响应时，更是这样。

减少热量，优化系统效率

很多任务业标准 PMIC 都带有各种内置的线性稳压器。不过，如果没有用足够的铜走线布线、散热器或良好设计的输入/输出电压和输出电流值对线性稳压器进行正确管理，那么线性稳压器可能在 PC 板上产生局部的热量“热点”。或者，当输入和输出电压之差很大，和/或如果输出电流很大时，开关稳压器可以提供效率更高的降压方式。在今天具有内置低压 uP 和具功能丰富的器件中，开关稳压器的使用很普遍。因此，为大部分电压轨部署基于开关模式的电源越来越重要了。不过，LDO 提供低噪声输出和很高的 PSRR 性能，因此，必须评估这两种权衡之策。在很多情况下，恰当的 IC 分区包括两种类型的稳压器。

今天，几乎所有应用都对系统中的热量很敏感。随着处理性能和有关工作电流的上升，用开关稳压器取代 LDO 变得越来越重要了。在高度集成的电源中尤其是这样，因为单个 IC 散发热量的能力是有限的。此外，视所执行的处理操作的不同而不同，实现最佳功耗需要对很多内核处理轨进行动态调节。要以较高的时钟速率工作，较高的电源电压是必需的。类似地，就处理任务不那么密集的工作模式而言，非常低的电压就足够了。既然相应的电源电流往往跟踪输入电源电压，所以让处理器以最低电源电压工作是人们所希望的。要动态调节处理器电压源需要诸如 I2C 这样的串行端口来通报所发生的变化。今天的高端便携式处理器几乎全部支持这种功能，不过，利用这种功能需要一个同样灵活和可编程的电源解决方案。

便携式医疗和工业仪器中的电源管理问题

如同其它很多应用的情况一样，低功率精确组件已经使便携式医疗仪器出现了快速增长。不过，与其它很多应用不同，便携式医疗产品除了要求重量轻以便于携带，一般还有高得多的可靠性、运行时间和坚固性标准。这种负担大部分落在了电源系统及其组件上。医疗产品必须正确工作，而且视设计和输入电源要求的不同而不同，常常必须在各种电源之间无缝切换。必须竭尽全力保护设备免受故障影响并能够承受故障，必须在电池供电时最大限度地延长工作时间，并确保无论何时，只要有效电源存在，就能可靠运行。此外，功率值随着功能和有关电压轨数量的增加而增加。除了遥远地区应用所需维护要少、能承受极端的温度变化以及受到机械振动或冲击时不会损坏等要求以外，工业便携式设备与医疗设备有很多相同的要求。

总之，系统设计师面临的主要挑战包括：

• 集成降压-升压型稳压器

• 在功耗与多个开关稳压器及 LDO 的高集成度之间权衡

• 集成动态 I2C 控制

• 工业和医疗设备系统的可靠性和坚固性要求

• 解决方案尺寸和占板面积

一个简单的解决方案

过去的工业 PMIC 没有足够的功率来应对这些新式系统和微处理器。满足上述电源管理 IC 设计限制的任何解决方案都必须兼有：高集成度，包括集成大电流开关稳压器和 LDO；以诸如降压-升压型稳压器等难以使用的功能构件对关键参数进行动态 I2C 控制。此外，一个具有高开关频率的器件可减小外部组件尺寸，而且陶瓷电容器可降低输出纹波。

LTC3589 － 面向新式处理器的大功率 PMIC

LTC®3589 是一个完整的电源管理解决方案，面向基于 ARM 的处理器和先进的便携式微处理器系统。该器件含有：3 个同步降压型 DC/DC 转换器，分别用于内核、存储器和 SoC 轨；一个同步降压-升压型稳压器，用于 2.5V 至 5V 的 I/O；3 个 250mA 的 LDO 稳压器，用于低噪声模拟电源。I2C 串行端口用来控制稳压器启动、输出电压值、动态电压调节和转换率、工作模式以及状态报告。以所希望的顺序将稳压器输出连接到使能引脚或通过 I2C 端口，可对稳压器启动排序。通过一个按钮接口、引脚输入或 I2C 接口，可控制系统的加电、断电及复位功能。电压监视器和有源放电电路可在下一个使能序列之前确保一个干净的断电，另外，选定的稳压器可以免除用于电源的按钮控制 (例如存储器，当其必须在停机模式中保持运行时)。LTC3589 以 8 个独立轨、恰当的功率值、动态控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 处理器。其它特点包括诸如 VSTB 引脚等提供的接口信号，该引脚同时在多达 4 个轨上、于设定的运行和备用输出电压之间切换。该器件采用扁平 40 引脚 6mm x 6mm 裸露焊盘 QFN 封装。

图 1：LTC3589 的简化方框图

LTC3589 是一个面向便携式微处理器和外部设备的完整电源管理解决方案。它总共提供 8 个电压轨，以给处理器内核、SDRAM、系统存储器、PC 卡、始终保持接通的实时时钟以及 HDD 功能组件供电。提供这些电压轨的是一个始终保持接通的低静态电流 25mA LDO、一个 1.6A 和两个 1A 降压型稳压器、一个 1.2A 降压-升压型稳压器以及 3 个 250mA 的低压差线性稳压器。支持多个稳压器的是高度可配置的电源排序功能、动态电压转换 DAC 输出电压控制、一个按钮接口控制器、通过 I2C 接口的稳压器控制以及大量状态报告和中断输出。

LTC3589 的内部补偿、恒定频率电流模式降压型开关稳压器提供高达 1A、1A 和 1.6A 的电流。就每一个采用 I2C 命令寄存器的降压型稳压器而言，降压型稳压器 2.25MHz 或 1.125MHz 的开关频率 (包括相位) 是独立选择的。加电默认频率是 2.25MHz，而且含有边缘速率调整以降低 EMI。每个降压型转换器都有动态转换的 DAC 输入基准和外部反馈引脚，以设置输出电压范围。这些降压型稳压器的 3 种工作模式  ──  脉冲跳跃模式、突发模式 (Burst Mode) 工作或强制连续模式  ──  用 I2C 接口设定。在脉冲跳跃模式时，稳压器会支持 100% 占空比。突发模式工作在低输出负载时有利于实现最高效率。除了电压输出设定点之间的最佳动态转换控制以外，强制连续模式还在轻负载时最大限度地降低了输出电压纹波。

单电感器、4 开关降压-升压型 DC/DC 电压模式转换器从 2.5V 至 5V 电压产生一个用户可编程的输出电压轨。该降压-升压型转换器利用专有开关算法，以高于、低于或等于所需输出轨的输入电压保持高效率和低噪声工作。降压-升压误差放大器采用一个固定的 0.8V 基准，而且输出电压通过一个外部电阻器分压器设定。突发模式工作通过 I2C 控制寄存器启动。就降压-升压型转换器而言，无需外部补偿组件。

动态电压轨控制和其它 I2C 控制的功能

LTC3589 具有高端便携式应用处理器所需的 I2C 控制功能、动态电压调节 (Dynamic Voltage Scaling) 和可选电压转换设置。为了使该 IC 的转换 DAC 基准能够工作，3 个 LTC3589 降压型开关稳压器和线性稳压器 LDO2 具有可编程 DAC 基准输入。每个 DAC 在 0.3625V 至 0.75V 范围内都是可按照 12.5mV 步进编程的：

R1 和 R2 组成反馈电阻器分压器，以设置稳压器的输出电压，参见图 2 和图 3 以获得详细信息。0.3625 是进入误差放大器的 5 位 DAC 基准的最小值。0.0125V 是 DAC LSB 步进大小。BxDTVx 是存储在 I2C 寄存器中的二进制代码 (十进位的 0 到 31)。

图 2：LTC3589 LDO 稳压器应用电路

图 3：LTC3589 降压型开关稳压器应用电路

也可以命令 DAC 基准以 4 个可选转换率之一、独立地在两个电压之间转换。每个 DAC 都有两个独立的输出电压寄存器以及电压寄存器选择、转换率和启动控制。不必为改变 DAC 输出而启动这些稳压器。

图 4 显示降压型稳压器 1、2、3 和 LDO2 以 4 种可能的转换率在 0.8V 和 1.2V 之间转换，转换由 VSTB 引脚 (灰色) 启动。这些值是 8 个单独的 DAC 代码。

图 4：LTC3589 动态电压调节转换

通用 I2C 串行端口用来控制稳压器启动、输出电压值、工作模式和状态报告。LTC3589 上的 I2C 串行端口含有 13 个用来控制每个稳压器的命令寄存器、一个用来监视每个稳压器电源良好状态的只读寄存器、一个用来读取 IRQ 事件原因的只读寄存器和一个清除 IRQ 命令寄存器。LTC3589 I2C 端口支持对任何寄存器的随机寻址，而且可以利用多种 START 顺序、按照任何顺序写寄存器。所有寄存器都可以回读，以验证软件和硬件的完整性。

结论

通过取代分立式电源 IC 组件或传统的、过度集成的大型 PMIC (即具有音频、编译码器、触摸屏接口等)，系统设计师可以用新一代集成了关键电源管理功能的紧凑型 PMIC、以更小和更简单的解决方案实现全新的性能水平。今天的高性能处理器一般有一套独特的电源要求，包括多个大电流和低噪声轨、可编程排序和动态 I2C 调节。这些高端处理器最初是为手持式应用而开发的，但是现在正用于工业和医疗市场中的嵌入式系统。飞思卡尔、迈威尔、三星和其它半导体厂商提供的新型处理器的优势是节省功率和高性能，而凌力尔特公司提供的 LTC3589 PMIC 这类新产品使系统设计师能够在日益扩大的应用领域充分利用这些新型处理器的全部优势。