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优化针对高端应用处理器的电源管理

Ken Marasco?? 美国国家半导体公司系统工程师?? 2006年05月09日 ?? 收藏0

  针对当今便携式应用处理器电源管理解决方案的集成度越来越高了。总功耗、待机和休眠电流消耗会影响电池的大小、原材料成本与产品验收。设计智能手机或PDA之类的便携式器件时,系统设计师必须考虑电源的多种变量。智能手机越来越耗电,需要高度集成的电源管理解决方案,以便在尽可能最小的PCB面积中满足整体设计对最长电池寿命的要求。当今的应用处理器要求内核、I/O、存储器和外设具有独立的电源域。LP3971是一个灵活的电源管理单元(PMU),借助于3个高效降压转换器和6个LDO可以满足全部要求。应用处理器需要多个电源电压,其可根据核心电源管理器和系统架构的要求进行优化。LP3971满足了广泛的系统要求,具有I2C控制的输出电压,和工厂可配置的加电顺序以及默认的输出电压。本设计思想集中在利用LP3971降压转换器和PDA或智能手机用LDO来为微处理器的低压轨供电。

直接与主电池相连的LDO 5


  设计系统时,工程师必须平衡所有的要求,如成本、PCB面积、元件尺寸、通话时间、待机时间、电池容量和时间表。RAM需要一个最大电流为400 mA的1.5V 电源。让我们从最简单、成本最低的解决方案——直接与图1所示的锂离子(Li-Ion)电池相连的低压降(LDO)稳压器——开始。电池电压起初为4.2V,逐渐降至3.2V,在对电池充电或替换该电池之前系统均处于休眠状态。图2对典型的锂离子电池放电周期进行了说明。对于图1所示的配置,LDO 5的效率为:
      LDO%效率= [(VOUT×IOUT) / VIN×(IOUT + Iq)]×10

  对于本例和本文中的所有其它例子,均忽略Iq,因为与IOUT (400 mA)相比它很小。于是,效率等式就变为:
      LDO%效率 = [(VOUT) / (VIN)]×100

  如果VIN = 4.2V且VOUT = 1.5V,则LDO效率为1.5/4.2 = 36%。

  总功率(PT) = 4.2×0.400 = 1.70W

  未提供给输出负载的全部功率将在LDO内以热的形式消耗掉。

  功耗(PD) = (VIN - VOUT)×IOUT = (4.2 - 1.5)×0.400 = 1.1W

  1.1W的功率将以热的形式消耗掉。

  我们刚才计算了最大的连续功耗(PT)。RAM不会长时间在该水平下工作。如果占空比为10%,则平均功耗为:
      PT = 0.10×1.7 = 0.17W

  IMAX下,RAM的工作时间取决于应用、电源管理固件和操作系统。

  如图2所示,电池电压不会长时间保持在4.2V的水平上。我们重新计算一下额定电压为3.6V的电池的功耗。

典型的锂离子电池放电


  VOUT仍为1.5V,则LDO效率为42%。

  如果系统所需的低功耗和图1所示的配置得不到满足,则考虑图3所示的解决方案,在那里LDO 5的输入与Buck 3的输出(其被设为1.8V,以便为存储器供电)相连。

LDO 5的输入与1.8V的轨相连


  对于图3所示的配置,当LDO 5的输入与1.8V的轨相连时,按下式计算效率:
      LDO%效率= VOUT / VIN = (1.5V / 1.8V)×100 = 83%

  功耗约为:
      PD = (VIN - VOUT)×IOUT = (1.8 - 1.5)×0.400 = 0.12W

  0.12W的功率将以热的形式消耗掉。

  在这里请注意,LDO 5效率为83%。如果我们采用开关电源而非LDO 5的话,效率仅为85%,对于该模块仅提高了2%。

  然而,整体效率取决于所用的转换器的类型。利用LP3671降压转换器数据表中的效率曲线(图4),由这种双转换DC/DC + LDO引起的系统损耗占整个系统损耗的78%。LDO是成本最低、尺寸最小和噪声最低的解决方案。

利用LP3671降压转换器数据表中的效率曲线


  增加另一个DC/DC转换器来为RAM供电会将PCB面积增加10mm2(由于需要增加的大电感的尺寸为3mm×3 mm),并会提高系统的整体噪声。如果没有1.8V的电源,则可以使用电压低于VBATT的任何降压转换器电压轨。LDO的输入电压越低,效率则越高——只要输入电压大于VOUT + VDROPOUT

  结论

  不必担心何时采用LDO来为本文所示的低压微处理器供电。问问您自己:“我真的想用额外的降压转换器和电感来将系统效率仅提高几个百分点吗?”用降压转换器为低压轨供电会增加PMIC的尺寸,需要添加一个3mm×3mm的电感,而且会增加BOM成本和PCB面积。相反,LDO经济实惠、尺寸小、且简便易用,更不用提它是成本最低的解决方案了,并且还能针对您的应用对其进行优化。


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