便携式产品设计中的热管理方案

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便携式产品设计中的热管理方案

简介：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，拍摄数码照片以及玩游戏，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/回放电视节目。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。基于ARM+DSP的方案，实现音/视频编解码，同时支持多种外设和存取媒介，以及有线和无线网络连接。

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%，在转换过程中都存在功率损耗，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 三种电压转换器件特点比较

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  。当输入与输出电压相差大，且输出电流也大的情况下，LDO本身消耗显著的功率，产生相应地的热量。LDO特别适合于小电流，压差比较小，或对电源噪声要求比较高的场合。

电荷泵采用电容来实现能量转换，可实现反压/倍压，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，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2MHz 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。

便携产品为方便携带，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和冷却。系统中电源管理部分和其它功能单元（硬盘，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、 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。





热管理解决方案

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3  Microchip 针对便携式设计热管理方案。


锂电池充电及电量监测
  PMP中锂锂电池采用线性充电，也采用电池电量监测芯片，向系统提供精确的容量等信息。这部分电路中热量产生源包括：充电过程中线性充电IC的功耗；电流流过保护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：
        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；
        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，并告警指示
        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。
        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转换器因其高效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2MHz 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 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告警。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，MCP9801）安装在系统PCB上，或CPU/DSP，FPGA或硬盘附近，将温度转换为线性输出的电压；或直接转换成数据，通过I2C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，通过发布在系统各部分的温度传感器，监测系统温度，利用I2C/SMBus等接口，与电量监测芯片，核心处理器进行通讯，实现智能和动态的电源管理。


总结

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和元件的选择、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，还需要在元件摆放，PCB布板等方面着重考虑，甚至借助热模型和热仿真分析软件，来达到产品的最佳热设计。