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如何為筆記本電腦選擇高效率的電源管理IC?

發(fā)布時(shí)間:2013-01-06 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】如果把CPU看作筆記本電腦的大腦,遍布整個(gè)主板的電源則被視為心臟和血管 — 將能量輸送到大腦及系統(tǒng)的其它部分。不同負(fù)載需要不同類型的電源,但共用同一輸入電源,輸入電壓范圍從7V直至20V。產(chǎn)生5V以及3.3V總線電源的電池充電器、主調(diào)節(jié)器,以及為圖形芯片組、DDR內(nèi)存、I/O控制器和CPU核供電的調(diào)節(jié)器都是典型的降壓型開關(guān)調(diào)整器,如同步整流變換器。唯一具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源就是CCFL背光逆變器,位于面板組件。

電源管理方案的關(guān)鍵特性決定了電池工作壽命、系統(tǒng)性能、成本,這些特性包括控制架構(gòu)、輕載模式、功率開關(guān)的選擇等。除了這些關(guān)鍵特性外,保護(hù)電路在筆記本電腦中也非常重要。

筆記本電源管理IC提供不同的集成度:(a)分立控制器和驅(qū)動(dòng)IC、外置開關(guān)管;(b)集成控制器和驅(qū)動(dòng)器;(c)內(nèi)置MOSFET開關(guān)的集成產(chǎn)品,用于4A以下的系統(tǒng)供電。
圖題:筆記本電源管理IC提供不同的集成度:(a)分立控制器和驅(qū)動(dòng)IC、外置開關(guān)管;(b)集成控制器和驅(qū)動(dòng)器;(c)內(nèi)置MOSFET開關(guān)的集成產(chǎn)品,用于4A以下的系統(tǒng)供電 

控制架構(gòu)
  
在筆記本電腦中,要求DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠精確地調(diào)整其輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)通過反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn),該控制環(huán)路在每個(gè)開關(guān)周期將能量從輸入源傳遞到輸出負(fù)載。對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度主要取決于控制方案。傳統(tǒng)的固定頻率PWM控制架構(gòu)之所以應(yīng)用廣泛,主要有兩個(gè)原因:可以選擇開關(guān)頻率以避開455kHz中頻等噪聲敏感區(qū)域,電感紋波電流保持相對(duì)穩(wěn)定,從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和輸出紋波電壓的估算。但是,開關(guān)操作所固有的延遲(負(fù)載瞬變與后續(xù)時(shí)鐘之間的延時(shí))也會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)。實(shí)際系統(tǒng)的環(huán)路帶寬一般在開關(guān)頻率的1/6和1/10之間,需要較大的去耦電容來滿足嚴(yán)格的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求。
  
“滯回控制”結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“固定頻率控制”結(jié)構(gòu),因此成為一種非常流行的架構(gòu)。不存在時(shí)鐘,系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)負(fù)載變化,并且需要更少的輸出儲(chǔ)能電容。例如,Maxim專有的Quick-PWMTM控制架構(gòu),融合了固定頻率控制和滯回控制架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。這種架構(gòu)的核心電路是快速、低抖動(dòng)、可調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài),設(shè)置高端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。雖然沒有固定頻率時(shí)鐘發(fā)生器,所采用的算法能夠平衡電感電流,保證接近恒定的開關(guān)頻率。
  
輕載模式
  
提高輕載效率是延長(zhǎng)筆記本電腦電池壽命的關(guān)鍵,雖然強(qiáng)制PWM模式可以維持相對(duì)恒定的開關(guān)頻率,但卻在空載使造成10mA至50mA的電池?fù)p耗,具體取決于開關(guān)頻率和外部MOSFET。強(qiáng)制PWM模式非常適合低噪聲、高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用,而且能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)提供吸電流能力,在基于反激變壓器或耦合電感的多輸出電壓設(shè)計(jì)中能夠減少交叉調(diào)整問題。
  
為了使空載電池電流最小,在電感電流為零時(shí)關(guān)閉低邊開關(guān),并將關(guān)閉狀態(tài)保持到輸出電壓跌落至設(shè)定點(diǎn)為止,這種架構(gòu)隨著負(fù)載電流的降低可以有效降低開關(guān)頻率。啟動(dòng)輕載跳脈沖模式時(shí),開關(guān)波形會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲,并且不同步,這是一種正常的工作模式,可提高輕載效率。
  
跳脈沖模式下,低于20kHz的頻率可能產(chǎn)生音頻噪聲。一些控制器能夠?qū)⒆畹皖l率限制在25kHz,假如在最后28μs內(nèi)沒有開關(guān)操作,則開啟超聲跳脈沖模式。低邊開關(guān)首先導(dǎo)通,以降低電感中的負(fù)電流,當(dāng)電感電流達(dá)到設(shè)定的負(fù)電流門限時(shí),啟動(dòng)開關(guān)周期。
  
功率開關(guān)的選擇
  
完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器包括控制器、驅(qū)動(dòng)器以及功率電路??梢苑謩e設(shè)計(jì)這些基本單元,也可以將其集成在一起(圖1)。圖a集成度最低,但為客戶優(yōu)化系統(tǒng)提供便利條件。輸出電流可以通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)器和MOSFET進(jìn)行設(shè)置;缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電路布板和較高的系統(tǒng)成本。
  
圖b將控制器和驅(qū)動(dòng)器集成在一起,Maxim用于筆記本電腦的功率管理IC多數(shù)為這種架構(gòu)。該架構(gòu)允許用戶設(shè)計(jì)不同級(jí)別的輸出電流 (從幾個(gè)安培的主電源到45A的核電源),布板比較簡(jiǎn)單,系統(tǒng)成本也更低。
  
對(duì)于小于4A輸出電流的應(yīng)用(DDR電源和一些GPU電源),圖c所示內(nèi)置開關(guān)電路更具成本優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)通常能夠工作在更高的開關(guān)頻率,從而減少無源元件,如輸出電感和輸出電容的尺寸。如MAX1536降壓調(diào)節(jié)器,其特點(diǎn)是內(nèi)部集成PMOS高邊開關(guān)以及內(nèi)置NMOS同步整流器,并可工作在1.4MHz開關(guān)頻率下,為負(fù)載提供3.6A的電流。同樣重要的是,該器件封裝在一個(gè)很小的28引腳5×5mm的薄型QFN封裝內(nèi)。
  
保護(hù)電路
  
筆記本電源管理IC包含了所有典型保護(hù)電路:輸入欠壓關(guān)斷、輸出過壓、輸出欠壓、電流限制、ESD保護(hù)、熱關(guān)斷等。一些最新推出的IC還具有一些先進(jìn)功能,如輸出功率監(jiān)測(cè)及電感飽和保護(hù)等。

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