便携式产品设计中的热管理方案

        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。