UMPC(超便攜移動個人電腦)和MID(移動互聯網終端)是近年來最具成長潛力的便攜式電子產品。作為一種硬件設計小巧輕便的設備，通過UMPC，用戶可以享受移動互聯網的諸多優勢，還可以在移動過程中訪問多種辦公應用軟件以提高工作效率。而MID與UMPC類似，同樣為便于攜帶的移動PC產品，便于用戶隨時享受影音娛樂、進行郵件收發等操作。
更小的尺寸、更多的功能、更高的集成度以及移動特性使得UMPC和MID產品對電源系統的性能、功耗、保護及IC尺寸等方面都提出了全新的要求。UMPC和MID產品需要向處理器、存儲器、顯示器和其它部分提供不同的工作電壓，以減少處理器消耗的電量，延長電池的運行時間，并提高電池的供電效率。因此，本文將從UMPC和MID中的處理器、存儲器、顯示器這幾個方面著手對其電源系統設計進行深入探討。
多個電壓軌的安排成為一大挑戰
UMPC和MID設備現已成為一個集成多種功能的平臺，該平臺上匯集了消費者所能想象的幾乎所有功能，如移動電話、網頁瀏覽、辦公軟件、電子郵件、藍牙、Wi-Fi、WiMAX、GPS、游戲、數碼相機、移動電視、多媒體播放器等等。無疑，如此高的集成度將給電源系統設計帶來重大的挑戰，這些挑戰包括高功耗、散熱、高效電源管理、EMI和噪聲消除等問題。飛兆半導體公司(Fairchild)資深工程師李仁果認為，解決上述挑戰的途徑包括：利用動態電壓調節(DVS)解決方案提高功效；通過良好的電路板布局改進散熱和EMI；高性能DC/DC功率模塊加上具有低噪聲LDO的低VIN解決方案在設計靈活性、易用性和成本因素方面優于電源管理單元(PMU)。
在將上述多個功能模塊組合在一起時，由于每一個內核芯片都有其自己的上電順序，因此系統設計人員不能像在功能手機中那樣共享電壓軌。“在3×3英寸的面積中安排多達20多個電壓軌是一個巨大的挑戰。集成的電源解決方案應該是一個不錯的解決方案。但對于芯片設計人員而言，如何在靈活性和集成度之間實現平衡是一個非常大的挑戰。”德州儀器(TI)中國區高性能模擬產品業務開發經理張洪為表示。
但所有的功能模塊并不需要在同一時間內使用，因此總體而言，電池容量足以支持功能擴展的趨勢。此外，MID/UMPC并不是一個純粹的娛樂設備，它還可作為工作的有益工具。終端用戶需要知道他們可播放視頻的時間長短、可上網的時間長短以及可通過Skype/MSN和客戶聊天的時間長短。這樣就可以分配時間并保存實現必要功能所需的電池能量。因此，在許多應用中，能夠精確預測電池運行時間變得至關重要。
另一個挑戰在于保持同等(甚至更長)電池工作時間，而不會顯著增加電池尺寸。安森美半導體數字及消費產品部系統及應用經理Jacques Lavernhe強調，MID/UMPC可支持Wi-Fi、WiMAX、藍牙等多種無線協議，除了集成電源管理集成電路(PMIC)和電源空間間隔尺度等電源管理技術，還應該特別注意節省通信設備物理層(PHY)輸出的能量。在工作階段，無線物理層一直在睡眠與工作狀態之間轉換。“在睡眠狀態，RF功能關閉，但數字內核仍在工作?？衫脛討B電壓調節(DVS)和動態頻率調節(DFS)技術來節省大量電能。”
同樣是考慮到在一個外形纖巧的設計中能實現以上所有功能以及較長的電池壽命，美信集成產品公司(Maxim)Infopower業務總監Mehdy Khotan也表示，在MID及UMPC設備中，需要多達30至40個電壓調節器對處理器和所有外設供電。需要具有高效調節器和最少外部元件的高集成度PMIC來盡可能地延長電池壽命，并減小MID/UPMC的尺寸。
由于UMPC產品中普遍需要多個不同的電壓軌(通常由單節鋰離子電池來提供)，其中包括多個微處理器電壓軌以及眾多的特殊功能電路電壓軌。因此，人們迫切要求電池能提供所需的功率。不過，電池的外形尺寸相對較小，而且功率密度也只實現了中等程度的增加。在這種情況下，電池運行時間和良好的熱管理都成為了重要的賣點，對于非常緊湊且具有高效率的多輸出同步轉換器的需求便應運而生。
轉換效率上的提升使得同步降壓、升壓或降壓-升壓型轉換器與傳統的線性穩壓器相比，在電池運行時間上獲得了實質性的改善。此外，這些轉換器還提供了約95%的效率，并免除了增加任何散熱裝置的需要。凌力爾特公司(Linear)針對便攜式電源管理應用提供的產品擁有許多獨特優勢，包括：高開關頻率(高達8MHz)、高效轉換(以最大限度地減少熱問題)、輕負載時的高效率、待機模式中的非常低靜態電流(低至9μA)和高集成度(內置了集成MOSFET和肖特基二極管)。該公司近期推出的多輸出同步降壓和降壓-升壓型穩壓器系列即可提供這種超緊湊型的高效率解決方案(如LTC3544、LTC3545等)。
在低成本、外型輕薄和具有移動上網功能的前提下，UMPC/MID的電源設計還必須擺脫傳統個人電腦外部零件復雜、具有較高的輸出噪聲和待機功耗、較高BOM成本等限制。為此，阿瑟萊特科技(AXElite Technology)針對UMPC/MID推出了兼具極少外圍組件和超低壓差的1A～5A ULDO線性穩壓器，并且為達到產品輕巧和對省電的要求，根據Intel ATOM或VIA NANO平臺上配置的UMPC/MID電源所需提供的各種低電壓轉換要求來提供穩定的電源供應方案。例如，1.5V轉1.2V穩定供給802.11/藍牙無線模塊所需的1A～5A電源管理方案，可將外部組件減到最少并且紋波噪聲比傳統開關式穩壓器更低。
面向處理器功耗優化的電源管理
UMPC/MID設備中常用的微處理器具有多個低電壓軌，在接通和停機期間必須對這些電壓軌進行正確的上電操作。這些低電壓軌通常包括CPU內核電壓、I/O和一些存儲器。此外，CPU內核電壓還會視所需處理電平的不同而改變，因而要求電源對其電壓進行動態調節，以達到優化功耗的目的。
凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz的同步降壓型穩壓器，能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續輸出。每個通道均可通過板上I2C接口(兩個通道通過I2C，另兩個通道則通過RUN引腳)進行獨立控制(包括輸出電壓)，從而使其非常適合于那些要求對輸出電壓實現動態調整的應用(如微處理器)。
LTC3562采用一種恒定頻率和電流模式架構，工作輸入電壓范圍為2.85V至5.5V，因而使其成為單節鋰離子/鋰聚合物電池或多節堿性/鎳鎘/鎳氫電池應用的理想選擇。LTC3562有兩個通道(600mA和400mA)，可通過將反饋電壓設置在425mV至800mV之間(利用I2C接口)來調節輸出電壓。另兩個通道則提供了固定輸出電壓，可利用I2C接口將輸出電壓設置在600mV至3.775V之間(以25mV為梯級)。這種輸出電壓獨立控制水平使得該器件非常適合于管理便攜應用中所常見的多個電源軌。
德州儀器(TI)的張洪為對此亦有認同，“為盡可能地減少能耗，可采用多個電壓軌。我們使用該技術將電池的工作時間幾乎延長了一倍。今后人們還將不斷降低電壓，但就電壓降低而言，系統的不同部件具有不同的問題和步驟，因此將會出現更多的電壓軌。”他認為，一種較簡單的解決方案就是采用低壓輸入 LDO。利用這種技術的支持，就可以從鄰近的電壓軌得到多個電壓軌并保持最高效率。例如，可以從1.8V的電壓軌獲得1.6V PLL電壓，并以最低的成本保持8?%的效率。TI最近推出的許多PMU均采用低輸入LDO，如TPS65051。
雖然處理器要執行從音視頻播放、互聯網瀏覽到游戲等大量任務，但它仍然需要在一段較長時間內保持待機狀態。因此，美信公司的Mehdy Khotan指出，處理器的功耗可能在幾微安到數安培之間變化，給處理器供電的電壓調節器需要在所有負載條件下都提供高效率。此外，電壓調節器還應提供動態電壓調節、極高的電壓精度以及負載瞬態響應，以滿足處理器的要求。例如，Micrel公司采用HyperLight Load專利技術的MIC23031調節器可以在各種負載條件下提供很高的效率。
安森美半導體(On Semiconductor)電源轉換產品部市場營銷經理David Chu則補充道，對于MID及UMPC專用的英特爾Atom處理器而言，用于Atom處理器的電源管理解決方案需要滿足英特爾的IMVP6+規范。此外，為達到延長電池使用時間和減小電路板面積的目標，高轉換效率和小尺寸也是非常重要的因素。
ADP3211A是安森美半導體針對英特爾Atom處理器的專用解決方案，完全兼容于英特爾的IMVP6+規范。該解決方案采用安森美半導體專有的斜坡脈沖調制(ramp-pulse-modulated, RPM)控制技術，可最大限度提升整個負載范圍內的電源轉換效率，同時將輸出解耦電容減至最小。NT_MD4820N是安森美半導體的雙N溝道MOSFET，它將MOSFET的占位面積減小了多達50%。利用這兩款器件，即可提供完美的解決方案為MID/UMPC產品中的處理器供電。
DDR2/3存儲器電源設計的難點
由于運行DDR的速度非?？?，功耗和優良的瞬態響應成為電源設計的難點所在，而高效、易用的DC/DC解決方案是最佳選擇之一。飛兆半導體的FAN5236是一款雙輸出DDR PWM/PFM控制器，為兩種在0.9V到5.5V范圍可調的輸出電壓提供高效調節，而這是為高性能筆記本電腦、PDA和互聯網設備的I/O、芯片集和內存供電所必需的。輕負載下的同步整流和滯后運作有助于在寬泛的負載范圍提高效率。如果需要在所有負載水平下使用PWM模式，可在每個PWM轉換器上分別取禁用滯后運作模式。
“為DDR2/DDR3供電是一個非常復雜的問題，尤其是在高數據速率的情況下。”TI的張洪為表示，此外，由于存在多種工作模型并且需要在各個模型之間順暢地轉換，因此通常會有一個專用DDR 內存電源芯片來供電。該公司的TPS51116就是業界最常用的DDR電源解決方案之一。不過，在美信公司的Mehdy Khotan看來，“DDR2/DDR3存儲器供電真的沒有特別的挑戰。”
在單節鋰離子電池供電型UMPC中，主存儲器將由一個小型硬盤驅動器(HDD)來提供。這些小型HDD通常需要一個3.3V的恒定電壓(在300mA標稱電流條件下，峰值電流為500mA)。新一代鋰離子電池的輸出電壓變化范圍從4.2V到低至2.5V。因此，為優化至HDD的功率輸送，最佳的解決方案是采用一個集成降壓-升壓型轉換器。凌力爾特針對這一需求推出了LTC3532降壓-升壓型轉換器。這是一款高效率、固定頻率、降壓-升壓型DC/DC轉換器，能夠利用單個電感器對一個高于、低于或等于輸入電源電壓的輸出電壓進行調節。
英飛凌科技(Infineon)基于Primarion技術的動態相位調節功能亦可輕松滿足高效與節能要求。Primarion控制器可在規定電流水平下完成動態相位調節，提高輕載或空閑模式下的效率。實現這種功能時，客戶不必花費額外的費用或資源?？刂破骺稍谙辔辉鰷p之間輕松切換，以保持系統穩定。另一方面，Primarion控制器可根據實際DDR DIMM(雙列直插內存模塊)的數量，調節控制相位。這種功能也可改善系統效率，防止在所插入的DIMM較少時出現功率浪費的情況。
有源OLED顯示屏的推薦電源解決方案
目前，有源矩陣OLED(AMOLED)技術正在顯示屏領域興起。它既結合了PMOLED技術的優勢，又輕松地克服了PMOLED技術的局限。但是，AMOLED顯示屏為工程師帶來新的挑戰。安森美半導體的Jacques Lavernhe推薦使用由升壓轉換器和逆變器組成的雙路DC/DC解決方案，這是因為AMOLED驅動器需要鋰離子電池提供正電源和負電源。要防止顯示屏上出現任何色彩偏移或閃爍，DC/DC轉換器必須結合不同的特性，如高精度和極佳的動態參數。此外，便攜應用的一些關鍵特性，如電池工作時間、元件數量和解決方案的極小尺寸等也須考慮。
美信公司的Mehdy Khotan還補充道，MID/UPMC顯示器的尺寸在3.5至7寸之間變化，美信公司可為MID/UPMC應用提供分立器件和PMIC顯示器背光驅動器，這些器件可以支持1至4串LED(8個LED)來滿足以上要求。該公司還擁有能夠提供OLED應用所要求的正/負電壓軌的獨立器件。如果OLED在MID應用中廣泛采用，那么這些器件可作為IP塊集成在PMIC中。
為TFT-LCD顯示器供電是也極具挑戰性的系統級難題之一。TI的張洪為強調，因為這不但要考慮效率、EMI，而且還要顧及波形、上電順序等問題。任何不匹配都將會導致圖像缺陷，而無法被最終用戶所接受。例如，一旦LCD偏置與音頻放大器共享 5V 的電壓，則可能會出現水紋問題。TI推出的TPS65150就是一款可提供LED背光和LCD偏置的芯片解決方案，其內置的緩沖器放大器可以成功地消除水紋問題。
對于TFT-LCD顯示器，凌力爾特公司電源產品部產品市場主管Tony Armstrong的觀點是，為實現TFT-LCD屏幕的正確供電，一個DC/DC轉換器必需能夠提供3個獨立的輸出電壓(即：AVDD、VON和VOFF)以及正確的上電和斷電排序。凌力爾特最新推出的LT3513轉換器具有5個獨立控制的穩壓器，用于提供TFT-LCD屏幕內部所必需的全部電源軌。其降壓型穩壓器能夠輸送高達1.2A的連續輸出電流(用于邏輯電源軌)?？梢岳肔DO控制器和一個外部NPN MOSFET產生一個較低電壓輔助邏輯電源。一個高功率升壓型轉換器、一個較低功率升壓型轉換器和一個負輸出轉換器提供了3個獨立的輸出電壓。一個集成高壓側PNP提供了VON信號的延遲接通，而顯示屏保護電路則負責在4個輸出中的任何一個低于其編程輸出電壓達 10% 以上時停用VON，從而起到保護TFT-LCD屏幕的作用。