有效簡化可攜式裝置PCB設計　智慧型驅動器身手不凡

2010-03-25

Ken Marasco

小型可攜式電子系統，如行動電話、個人媒體播放器(PMP)、數位相機、數位攝影機、可攜式醫療設備和全球衛星定位系統(GPS)正在持續發展，並且不斷地添加更多的新特色。這也造成這些裝置的周邊電路在某種程度上的需求更趨相近，因為其電源、連接埠和人機介面(HMI)都是運用類似的技術。

低功耗全功能產品躍上主流

伴隨著這些系統提供越來越多的特色和越來越高的性能，其管理功率消耗的需求也不斷成長，原因至少有三個。第一，由於功能與特色增加，如果不加抑制，不但功能密度增加，功率散逸密度也會增加。半導體整合度的進步雖然減緩這個趨勢，但其本身不足以抵消這個趨勢。第二，儘管產品的特色不斷增加，加上功能和功率散逸密度也增加，仍有另一股壓力繼續將可攜式電子產品推向尺寸較小的設計方向。這股壓力是由機構要求的限制，以達成已經先確定的人機介面，以及設計公司在機構與電氣方面的強固性標準。第三，由於尺寸縮小，電源可用的空間也一樣會縮小。雖然電池技術特別是鋰離子電池電源持續進步，稍微平衡儲存密度的增加，但空間限制仍使得原始設備製造商(OEM)無法在充電式電源的儲存空間上得到顯著地增長。

這些OEM用於解決功率散逸問題的對策也跟著進化。第一個層次的對策，其重點放在能源效率的管理子系統盡量減少損耗，包括電源通過的直流對直流(DC-DC)轉換器、穩壓器、電池管理及電池保護電路。

這個以電源子系統為中心的方法，其進步在很大程度上取決於半導體供應商生產零組件和積體電路的能力，這些元件比起在市場上的同類零組件有較低的功率散逸。這給予OEM工程師一個龐大的零組件選擇目標，以達成能源效率對其他考量，例如元件成本與封裝尺寸之間的平衡。

此一對策相當有效，在大部分的零組件市場都已經落實這些優點，例如數位和以數位為主的混合訊號積體電路也受到半導體製程進步的驅策。但是本文所用的大多為類比和以類比為主的混合訊號積體電路，這個製程持續不斷微縮的對策對這種零組件的改善並不顯著。

第二個層次的對策是週期性地切斷系統甚至大型特定應用積體電路(ASIC)中在特定時間不使用的部分區塊電源。這個對策對使用於大量電能的周邊，例如以射頻連接的硬體以及顯示器的背光特別有效，甚至也能藉由關掉中等負載如音頻子系統、輸入/輸出(I/O)埠或非揮發性配置記憶體，來延長每次電池充電週期的操作時間。譬如，目前量產中的行動電話就是以二十個或更多電源區塊來運作。

除了透過節省大功率散逸電路如射頻方塊和顯示器背光的閒置電流來節省功率散逸外，這個對策在系統關閉一個時脈電路區塊時也有助於削減靜態功率散逸。

隨著積體電路製程強勢推進到以前無法想像的程度(不久前還做不到的90奈米節點，現在已是稀鬆平常，半導體設備製造廠商已經朝著此一目標後的第三代努力)，這個對策有效地取代了以時脈閘控來減少閒置電流的方式。

這個減少功率散逸的對策取決於系統設計師、軟體/硬體工程師和ASIC供應商在工程上的貢獻。此做法雖然成功，但會因為增加應用處理器的負擔而受到限制，讓設計者消耗更多計算資源，而計算資源可是十分耗電的。例如，行動電話在基頻和相關功能的處理器選擇，已經從ARM 7躍升為ARM 9和ARM 11處理器，而其他可攜式電子產品也呈現類似的趨勢，但程度較輕微。

第三個層次的對策著重在降低各種特色和功能的電能利用，而不影響使用效能。技巧之一是利用分散式智能來管理這些功能和特色，而不須要占用基頻或應用處理器的龐大處理能力和速度。

此一對策讓處理器切出完整功能給半自動的周邊控制器。結果是，該處理器在以人類動作速率所產生的任務與任務之間其操作模式可以進入睡眠狀態，而毋須動用到該處理器在進行資料處理或通訊時所啟用的全功能速率。智慧型的顯示器背光驅動器就是一個活生生的例子。

背光控制委由低操作成本零件負責

可攜式電子產品的終端用戶在大範圍的環境亮度條件下，都需要清晰可讀的螢幕顯示。現代的可攜式產品往往利用光電二極體或光電晶體這類的感測器來評估環境的亮度準位，作為背光驅動器的一個輸入控制訊號。該光感測器需要訊號調節電路：以直流偏壓、放大和類比到數位轉換，或至少一個或兩個準位的臨界值檢測作為激發形式。

無論是藉由外接元件或者晶片內建類比I/O接腳，主處理器通常固定而週期性地監控光感測器的數據轉換輸出。這些輸出訊號發生的速率約每秒一個至數個轉換值。然後控制器評估轉換結果，通常將之歸為相應的三個層次之一，包括整個白天、光線充足的室內環境，以及燈光昏暗的環境如客廳、餐廳或夜店。

該處理器藉著發出控制訊號給背光驅動器來完成控制過程，以提供三種可能的電流準位之一給白色發光二極體(LED)串。雖然這種方法有一定的效果，但這樣的安排效率不高。其本質上是一個微觀管理的形式：一個功能強大但費用昂貴的中央資源，被用來監督過程。較好的方法是將之委託給系統中一個低操作成本的零件。這聽起來像是一個很小的舉動，但讓處理器減輕負擔的好處卻很明顯，足以打開改善耗能、降低零件庫存和得到一片清爽的電路板這個三贏的大門。

智慧型驅動器減輕處理器負擔

這裡以量測ADP5520智慧型背光驅動器構成的電路，說明可從微控制器(MCU)的可配置性(Configuration)控制的LED驅動器，與使用自動化的LED驅動器，在管理顯示器的照明上所能節省的電能。ADP5520包含一個非同步升壓轉換器、一個可程式的環境亮度管理區塊、一個狀態機和一個可配置的連接埠擴展器，可進一步地節省系統成本。

升壓轉換器可以驅動單一串聯多達六個白光LED的電路，串聯電壓可大到24.5伏特，驅動電流可大到30毫安培(mA)。環境亮度測量區塊的運作，為單一環境亮度感測器提供所有訊號調節，以及協同工作的晶片內建狀態機和升壓轉換器，可以實現一百二十八階電流值，介於0～30毫安培之間。

在處理器只執行亮度控制服務如控制曲線的情況下，ADP5520對各種手機使用率的模擬測試，馬上讓每次充電操作時間有15%的提升(圖1)。再加入環境亮度感測(Ambient-Light Sensing, ALS)功能到ADP5520的控制方法，比測量基準的每次充電待機時間更提高50%。這些曲線是模擬手機在不需要射頻區塊下的高互動性使用狀況，例如遊戲、查閱和撰寫文字與電子郵件，或使用相機。

圖1 智慧型背光控制器藉由降低處理器的負擔來節省電能。加入環境亮度偵測更進一步地節省能源。

設計師總會想要讓自己的產品在兩個亮度準位之間有一點優雅的淡入淡出，而不是只能簡單切換。以處理器控制的照明方案需要大量的處理器動作才能實現淡入淡出，就處理器的負擔而言，做出這類的動作比起簡單的開關控制相對要昂貴些。類似ADP5520這樣的智慧型LED驅動器，可以實現多種淡入和淡出的電流值曲線，包括線性、平方律和立方律，進一步降低處理器的負擔(圖2)。該驅動器可以配置十五種分別獨立的淡入和淡出時間，從300毫秒(ms)到5.5秒。以一個板上附加的可重置微調定時器可編程為從10～120秒，共十五種區間值的其中之一。