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便携式产品设计中的热管理方案

发布时间:2020-07-21 18:06:30 阅读: 来源:大鹏卷帘机厂家

便携式产品涵盖音频、视频及无线通信产品,不断增加的功能需求,使电池供电的电源管理变得愈加复杂,同时电源转换中功率损耗产生的热量对设计工程师提出新的挑战。本文从系统电源管理的角度,分析热量的产生并结合实例,提出相应的热管理方案。 现今的便携式产品涵盖各式各样的音频、视频及无线通信产品,如苹果公司的iPod MP3播放器、便携式媒体播放器(PMP)、立体声蓝牙耳机和3G手机。最新的3G手机,除具有通话的基本功能外,还可以浏览网页、发送电子邮件、拍摄数码照片、玩游戏以及播放视频流。PMP采用大容量硬盘,可以储存和播放电影、音乐,拍摄和浏览照片,录制/播放电视节目。PMP日益成为掌上娱乐中心。

图1:为便携式媒体播放器(PMP)内部功能简图。

为支持不断增加的功能,PMP电源管理电路变得越来越复杂。图1中的电源管理单元包含锂电池充电、电量监测,以及将电池电压(2.8V-4.2V/节)转换为系统各芯片所需工作电压的电压转换器件。电源的转换效率不可能达到100%,在转换过程中必定存在功率损耗,这种损耗的功率被转换为热量。

可以采用低压差线性稳压器(LDO),电荷泵和基于电感的DC/DC转换器将电池电压转换成系统所需的不同工作电压。表1列出了三种电压转换器件的优缺点以及产生热量的大小。表1:三种电压转换器件

从表中可以看出,低压差线性稳压器(LDO)只能将输入电压转换为更低的输出电压。在实际应用中,其功耗为P = (VIN - VOUT) * IOUT。当输入与输出电压相差较大,且输出电流也大的情况下,LDO本身消耗的功率就非常大,并产生相应的热量。LDO特别适合于低电流,压差较小,或对电源噪声要求较高的场合。

电荷泵采用电容来实现能量转换,可实现反压、倍压和稳压等变换,效率为80%左右。受电容容量及尺寸限制,电荷泵输出电流和电压都有限。在便携产品中,电荷泵可用来驱动并联的白光LED,或做为拍照时的闪光灯。

DC/DC转换器采用低阻抗的开关(如MOSFET)以及电感等储能元件,实现降压和升压等转换。DC/DC转换器减小了电压变换过程中的功率损耗,效率高达90%以上。同时开关频率很高(可达2 MHz以上),减小了外部电感和电容的尺寸。合适的DC/DC转换电路在系统中产生最低的热量。

便携产品为便于携带,要求外形小,重量轻。产品内只有密集封装的元器件和印制电路板,通常不会使用风扇进行通风冷却。系统中电源管理部分和其它功能单元(硬盘和显示屏等)产生的热量,对设计工程师提出新的挑战。对便携式设计中热管理,应采用系统的方法,分析热量的产生,并从元器件选择,系统内温度监控和热量管理等方面寻求相应的解决方案。以下以PMP为例来探讨便携设计的热量管理。

系统热分析

PMP采用单节锂电池供电,图2为系统中能量的流动线路图,红色箭头显示电流的流动方向。从分析可知:锂电池充电电路、锂电池、电压变换器件(LDO和DC/DC转换器)、基于ARM+DSP的处理芯片和硬盘在工作时都消耗电流,并产生功率损耗。可分别计算出这些元器件的功率损耗和产生的热量。值得注意的是,在充/放电过程中,锂电池内部发生化学反应,也会产生热量。

一旦了解系统中热量产生的源头,就可以在电路设计和元器件选择上全盘考虑,以优化的方案,给系统提供电源管理,同时提供可靠的热管理。图3从热管理的角度,提出Microchip热管理方案。图3的方案可分为锂电池充电及电量监测、电压变换、系统温度监测和热管理三部分,结合Microchip锂电池充电、电量监测、LDO及DC/DC转换器、温度传感器和低功耗单片机等产品,实现可靠、智能、高效的热管理。

图2:系统中能量的流动线路图。

锂电池充电及电量监测

PMP中锂电池采用线性充电,还采用电池电量监测芯片,向系统提供精确的容量等信息。这部分电路中的热量产生源包括:充电过程中线性充电IC的功耗;电流过流保护MOSFET以及充/放电过程中,锂电池内部化学反应产生热量。MCP73861线性锂电池充电芯片充分考虑到热管理方面的需求:

1. 最大1.2A充电电流,根据电池容量,通过外接电阻来设置充电电流,减小充电过程的功耗;

2. 外接NTC,实时监测电池温度,当电池温度过高或过低时终止充电,并警告指示;

3. 芯片本身具有热调节功能,当芯片内部温度超过155℃,MCP73861自动减小充电电流,避免芯片因过温而失效;

4. MCP73861采用4x4mm QFN封装,具有良好的散热性能。

PS810为单节锂电池电量监测芯片,通过SMBus接口与系统通信,提供电池电量及电压、电流、温度等信息。

电压变换

通过对三种电压变换器件的分析,在便携式应用中提高电源转换效率至关重要。从热管理的角度看,尽可能选用集成度较高,封装散热效果好的LDO。图3中TC1302是3x3mm DFN封装的双路LDO,具有300mA和150mA输出电流,适合向CMOS照相模组、RF电路提供低噪声供电电压。

DC/DC转换器因高效而成为便携电源转换的首选。高集成度的同步降压或同步升压器件,提供超过90%的效率。最新的DC/DC转换器在性能提升的同时,也有将DC/DC转换器与LDO、锂电池充电、电量监测、电荷泵等功能单元集成在一个芯片内,从而构成为一个灵活而复杂的电源管理单元(PMU)。

图3:Microchip针对便携式设计的热管理方案。

图3中的TC1303是一款高集成电源管理芯片,包含500mA同步降压变换器,300mA LDO和Power-Good功能。TC1303中的同步降压变换器,选用低导通电阻MOSFET和2 MHz开关频率,最高效率可达95%,同时具有PFM/PWM模式自动切换功能,提高轻负载时的转换效率。TC1303采用3x3mmDFN小封装,DFN封装热阻(JA为41℃/W,具有优异的散热性能。

系统温度监测

整个系统中的芯片和模块,特别是CPU/DSP、FPGA或硬盘等关键器件,在工作时会产生热量。系统过热,会降低芯片的性能,甚至导致故障。对整个系统各部分温度进行监测,从而能够了解其局部的温度变化,在温度过高或过热时给使用者提示或警告。在图3所示方案中,电量监测芯片PS810能够提供实时电池温度信息。对CPU/DSP、FPGA或硬盘等器件,则可考虑增加温度传感器。硅芯片式温度传感器(MCP9700或MCP9801)安装在系统PCB上,或置于CPU/DSP、FPGA或硬盘附近,将温度转换为线性输出的电压;也可直接转换成数据,通过I2C(tm)接口送到MCU处理。

虽然CPU/DSP功能非常强大,但是不断增加的功能和音/视编解码运算,使CPU/DSP负荷过重,甚至超载。选择低功耗和少引脚的MCU,将电源管理和热管理功能交给MCU处理:控制充电和每路电源的开/关,通过散布在系统各部分的温度传感器来监测系统温度,利用I2C/SMBus等接口与电量监测芯片和核心处理器进行通信,实现智能和动态的电源管理。

本文小结

本文从系统电源管理的角度,分析便携式设计中热量的产生、元件的选择以及方案的整体考虑,并结合PMP设计实例,介绍Microchip提供的电源管理及热管理方案。在实际设计中,还需要在元件布局、PCB布线等方面着重考虑,甚至借助热模型和热仿真分析软件,以实现产品的最佳热设计。

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