CN102290978B - 电源管理*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源管理***，其包括若干个电源芯片和具有若干个供电区的被供电芯片，其中每个电源芯片通过一个管脚为所述被供电芯片中的一个供电区提供电源，所述被供电芯片内部设置有若干个可编程电阻分压电路，每个可编程电阻分压电路采集所述被供电芯片中的一个供电区的电源电压，并基于该电源电压生成一反馈电压，通过另一管脚将所述反馈电压提供给为其对应的供电区供电的电源芯片。这种设计只需研发标准的电源芯片，就可为被供电芯片供电，无需为每一款被供电芯片重复研究开发电源管理芯片，可极大节省了研发成本。

Description

电源管理***

【技术领域】

本发明涉及电子电路领域，特别是一种可灵活配置的电源管理***。

【背景技术】

随着现代电子技术的发展，电子***变得日趋复杂，与之相应的电源管理方案也日趋复杂。目前越来越多的公司都开发专用的电源管理单元(PMU：PowerManagement Unit)芯片。对于复杂的智能手机、平板电脑、上网本和各种笔记本电脑来说，其所需求的PMU芯片已经集成多达7路或更多开关型直流-直流转换器和多达20路以上线性调压器。这些高级的电子产品集成的功能还在继续增加，如GPS、3-D影像、加速度传感器、陀螺仪、投影和高级视频功能、现代无线通信和智能传感技术等，每种功能所需的电压和电流都可能不一样，所以都需要独立的电源管理模块，这样便导致所需的开关型直流-直流转换器和线性调压器的数目还会增长。而且由于现代电子技术发展速度太快，在电子产品开发初期甚至都很难预见需要多少路电源管理模块。目前，不少电源管理单元芯片设计时会设计一些冗余的通路，这样导致有些通路在使用中不合适或多余。而电源管理这种模拟芯片设计复杂度很高，一次设计成功的概率也很低，其开发周期经常会超过一年，甚至长达两年的也不在少数，所需的设计团队规模也很大，如10人以上前端电路设计团队、5人以上的后端版图设计团队、大量实验室验证人员、量产测试人员、工艺人员、封装人员及管理人员等。所以需要一种可以更加灵活配置的电源管理方案，减小为了每一种应用重复开发的巨大成本。

另一种传统技术是通过多个分离的电源芯片在印刷电路板(PCB：PrintedCircuit Board)上搭建电源管理***，但这种方案已逐渐被前述PMU方案淘汰，原因有二。

第一、传统的分离的电源芯片无法做到多级动态调节输出电压，而动态调节输出电压是新一代高效率电源***必需的功能。现代电子***的核心器件之一的应用处理器(Application Processor)芯片是电子***的控制中心，它会根据用户使用的场景不同来动态调节电源模块的输出电压，在需要高速运行的场景时，它将把电源模块的输出电压调高，这样芯片的工作频率会提高，此时的功耗较大。但在某些无需高速运行的场景时，它将电源模块的输出电压调低，这样芯片的工作频率会降低，从而起到节能的作用。目前的分离电源芯片的输出电压一般是固定设定的。而PMU芯片一般是通过一个标准的I²C接口连接应用处理器和PMU芯片，具体可参见图1所示，其中所述I²C接口有两根信号线(SDA和SCK)，所有的电源模块(具体包含有6个直流-直流转换器，即DCDC1、DCDC2、DCDC3、DCDC4、DCDC5和DCDC6)共享一个I²C接口。I²C接口遵循I²C协议以实现所述应用处理器和PMU芯片间的通信。所述应用处理器可以通知PMU芯片调高或降低输出电压，也可以实现使能控制，即在某路电源模块工作时可以通知它关闭，以便省电；需要它工作时，通知它开启工作。类似的，针对所述第二种传统技术，可以通过对分离电源芯片增加一个I²C接口，这样每个分离电源芯片需增加两个I²C的管脚，而应用处理器为每个分离电源芯片都需增加两个I²C的管脚。管脚越多，芯片成本越高，这种代价实在太大，目前几乎没有厂家采用这种方案。

第二、分离元件解决方案缺乏灵活的上电时序管理。PMU方案可以提供灵活配置的上电时序，即各路电源启动的先后顺序和相对延迟时间设定。

此外，图1中由于PMU芯片规模不断增加，即使满足某一边的电源通路离应用处理器芯片的被供电部分比较近，如DCDC1和DCDC2，但是总会出现如DCDC4和DCDC5距离被供电电路很远的情形。Rpar4和Rpar5为印刷电路板上由于走线较长导致的较大的寄生电阻，当供电电流很大时，在此寄生电阻上也会产生很大的能量损耗，其损耗功率为I²R，其中I为供电电流，R为印刷电路板上的寄生电阻。这些能量损耗都直接转化成热。

另外，传统PMU解决方案中，通过I²C电路与PMU芯片通讯，一方面受I²C电路时钟频率限制，其传输数据的速度会被限制在较低的速度。另外为了节省芯片管脚数目，PMU芯片一般仅通过一个I²C接口来传输控制所有电源通道的控制数据，这样进一步降低了对电源通道的控制的速度。

因此有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

本发明的目的在于提供一种电源管理***，其只需研发标准的电源芯片，就可为被供电芯片供电，无需为每一款被供电芯片重复研究开发电源管理芯片，可极大节省了研发成本。

根据本发明的目的，本发明提供一种电源管理***，其包括若干个电源芯片和具有若干个供电区的被供电芯片，其中每个电源芯片通过一个管脚为所述被供电芯片中的一个供电区提供电源，所述被供电芯片内部设置有若干个可编程电阻分压电路，每个可编程电阻分压电路采集所述被供电芯片中的一个供电区的电源电压，并基于该电源电压生成一反馈电压，通过另一管脚将所述反馈电压提供给为其对应的供电区供电的电源芯片。

进一步的，所述电源芯片为直流-直流转换器芯片或线性调压器芯片。

进一步的，所述直流-直流芯片包括四个管脚，所述四个管脚分别为：输入电源管脚、地管脚、反馈信号管脚和开关输出管脚；所述线性调压器包括四个管脚，所述四个管脚分别为：输入电源管脚、地管脚、反馈信号管脚和电压输出管脚。

更进一步的，所述可编程电阻分压电路包括串联于对应供电区的电源电压和地之间的若干个电阻和分别与各个电阻并联的若干个开关，每个开关的控制端由所述被供电芯片的控制信号所控制，串联的若干个电阻的一个中间节点作为反馈节点，所述反馈节点上的电压被作为所述反馈电压。

更进一步的，在对应供电区的电源电压和反馈节点之间设置有数个电阻，在所述反馈信号输出节点和地之间设置有数个电阻。

进一步的，所述可编程电阻分压电路还包括一使能开关，所述使能开关的一个连接端连接预定电压，另一个连接端连接所述反馈节点，所述使能开关的控制端连接一使能信号。

更进一步的，所述电源芯片包括一比较器和控制电路，所述比较器的一个输入端接收所述反馈电压，另一个输入端连接一参考电压，其输出端输出用于控制所述控制电路使能的使能信号，所述控制电路接收所述反馈电压，并为对应的供电区提供电源。

更进一步的，所述参考电压设置在反馈电压的正常工作电压和对应供电区的电源电压之间，所述预定电压为对应供电区的电源电压。

进一步的，所述可编程分压电阻电路中的电压采样点设置在被供电芯片中的对应供电区的电源电压最低位置。

与现有技术相比，本发明提供的电源管理***只需要研发表征的电源芯片，就可以实现为被供电芯片供电，而无需为每一款被供电芯片重复研究开关电源管理芯片，极大节省研发成本，且其内部的可编程电阻分压电路可以实现动态电压调节功能，此外，由于供电芯片和被供电芯片连接时采用就近布线，从而减小印刷电路板的布线面积，使电子***更加小型化。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中电源管理的结构示意图；

图2为本发明中电源管理***在一个实施例中的结构示意图；

图3为本发明中电源管理***在一个具体实施例中的示意图；

图4为本发明中电源管理***在另一个具体实施例中的示意图；

图5为本发明中可编程电阻分压电路的示意图；

图6为本发明中DCDC芯片在一个实施例中的电路示意图；

图7为本发明中LDO芯片在一个实施例中的电路示意图；和

图8为本发明中应用处理器在一个实施例中的示意图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。文中所述的“若干”和“数个”均指两个或两个以上。

图2为本发明中电源管理***200在一个实施例中的结构示意图，所述电源管理***200包括被供电芯片210和若干个电源芯片220，其中每个电源芯片220通过一个管脚为所述被供电芯片210中一个供电区提供电源，所述被供电芯片210内部设置有若干个可编程电阻分压电路(下面将参阅图4做具体讲述)，所述可编程电阻分压电路采集所述被供电芯片210中一个供电区的电源电压，并基于该电源电压生成一反馈电压，通过另一个管脚将所述反馈电压提供给其对应的供电区供电的电源芯片。图中仅示出了四个电源芯片220，但在实际应用中，可以根据所述被供电芯片210的需求设置所述电源芯片220的个数。下面结合图3至图6来详细描述本发明中的电源管理***。

图3为本发明中电源管理***在一个具体实施例中的示意图，与图1相比，图3中的电源管理***中的各个电源芯片220是独立的，即每个电源芯片220分别和所述被供电芯片210连接。这里的被供电芯片210可以为图1中所述的应用处理器，而电源芯片220可以为直流-直流转换器(图3中示出了6个直流-直流转换器，其中具体为DCDC1、DCDC2、DCDC3、DCDC4、DCDC5和DCDC6)。其中每个直流-直流转换器均有四个管脚，所述四个管脚具体为输入电源管脚V、地管脚G、反馈信号管脚FB和开关输出管脚LX。每个电源芯片220(即本图中的直流-直流转换器)的反馈信号管脚FB与所述被供电芯片210内的对应的可编程电阻分压电路连接，所述开关输出管脚LX与对应的供电区连接。即每个电源芯片220的管脚LX为所述被供电芯片210中的一个供电区提供电源，对应的可编程电阻分压电路采集所述供电区的电源电压，并基于该电源电压生成一反馈电压，通过伸缩式管脚FB将所述反馈电压提供给为其对应的供电区供电的电源芯片。

图4为本发明中电源管理***在另一个具体实施例中的示意图，本实施例中的电源芯片220为线性调压器(图中示出了6个线性调压器，其中具体为LDO1、LDO2、LDO3、LDO4、LDO5和LDO6)，其中所述线性调压器可设置成为标准的四个管脚的芯片，所述四个管脚包括输入电源管脚V、地管脚G、反馈信号管脚FB和电压输出管脚VO。每个电源芯片220(即本图中的线性调压器)的反馈信号管脚FB和电压输出管脚VO分别所述被供电芯片210内的对应的电阻分压电路和对应的供电区连接。

当然，在具体实现时，所述电源芯片并不局限于图3和图4中所示的直流-直流转换器和线性调压器，还可以为其他类型的电源芯片，只要每个电源芯片的管脚和被供电芯片内部设置的对应节点连接就可以了。此外，对于每个电源管理***来讲，所连接的电源芯片也不一定全部为同一个类型(如图3中的所有电源芯片都是直流-直流转换器，而图4中的所有电源芯片均是线性调压器)，在实际应用中，所连接的电源芯片也可以为不同的类型，如部分电源芯片可以为直流-直流转换器、另一部分电源芯片可以为线性调压器，再一部分还可以为其他被标准配置后的电源芯片。

图5为本发明中可编程电阻分压电路的示意图，其中所述可编程电阻分压电路包括串联于对应供电区的电源电压VDD和地之间的若干个电阻和分别与各个电阻并联的若干个开关，每个开关的控制端由所述被供电芯片的控制信号所控制，串联的若干个电阻的一个中间节点作为反馈节点，所述反馈节点FB上的电压被作为所述反馈电压。所述电源电压VDD和反馈节点FB之间设置有若干个可由所述被供电芯片内部信号(图中示出的信号为DA1、DA2和DA3)控制的数个电阻(分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4)；所述反馈节点FB和地之间设置有另若干个可由所述被供电芯片内部信号(图中示出的信号为DA4、DA5和DA6)控制的数个电阻(分别为电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8)。其中信号DA1通过开关K1控制电阻R2，信号DA2通过开关K2控制电阻R3，信号DA3通过开关K3控制电阻R4，信号DA4通过开关K4控制电阻R5，信号DA5通过开关K5控制电阻R6，信号DA6通过开关K6控制电阻R7。这样随着内部信号的高低电平不同，电源电压VDD和反馈节点FB之间的电阻R_UP、反馈节点FB和地之间的电阻R_DN可以动态调节，从而可以实现动态调节输出电压的效果。

所述可编程电阻分压电路在图3中具体连接时，其所述电源电压VDD与对应的直流-直流转换器的管脚LX连接，如对应于第一直流-直流转换器DCDC1的第一路可编程电阻分压电路(包含有电源电压VDD1和反馈信号输出节点FB1)，其对应的电源电压VDD1与DCDC1的管脚LX连接，所述反馈节点FB1与DCDC1的管脚FB连接。所述可编程电阻分压电路在图4中具体连接时，其所述电源电压VDD与对应的线性调节器的管脚VO连接，如对应于线性调节器LDO1的第一路可编程电阻分压电路(包含有电源电压VDD1和反馈节点FB1)，其对应的电源电压VDD1与LDO1的管脚VO连接，所述反馈节点FB1与LDO1的管脚FB连接。其余的各个电源芯片与对应的可编程电阻分压电路均进行同类似的连接，这里就不再详述了。

由图5可知，所述第一路电源芯片的电源输出节点VDD1的电压等于：

$\mathrm{VDD}1=0.6\frac{R_{\mathrm{UP}}+R_{\mathrm{DN}}}{R_{\mathrm{DN}}}$

所以，被供电芯片内部的DA1-DA6信号通过开关控制电阻R_UP和R_DN，可进一步实现对电源输出节点VDD1的电压控制，进而避免了现有技术中被供电芯片和PMU芯片中同时需要的I²C电路，且可以实现动态电压调节功能。

当然，图5中的电阻不限于上述的几个电阻，还可以有更多或更少的电阻来实现动态调节。显然，所述若干个电阻除了图中所示的串联连接方式以外还可以采用并联或混合连接的方式。通过多种连接方式可以更好地实现对电压的动态调节。

除此之外，图5中的可编程分压电阻电路还设计了使能控制，即包括使能开关Kon，所述使能开关Kon的一个连接端连接预定电压V_IO，另一个连接端连接所述反馈节点FB，所述使能开关Kon的控制端连接一使能信号ENB。其中当使能控制信号ENB为高电平时，所述使能开关Kon导通，将所述反馈节点的电压FB上拉至V_IO电压，这里的V_IO电压可以为被供电芯片中对应供电区的电源电压。

通常I²C的时钟频率一般为几百KHz，而被供电芯片(如应用处理器)可工作超过1GHz，而且内置在被供电芯片210中的可编程分压电阻电路的编程是实时的，没有任何通讯延迟限制。所以本发明引用可编程分压电阻电路设计方案比现有的PMU解决方案具有更快的动态调压速度和使能/关闭速度，即应用处理器对电源通路的控制速度更快。

图6为本发明中DCDC芯片在一个实施例中的电路示意图，所述DCDC芯片包括DCDC控制器电路和比较器Comp1，VTH是参考电压，可以由DCDC控制器中的基准电压源电路产生。这里的DCDC芯片将DCDC控制电路和比较器Comp1整合标准化以形成为具有上述四个管脚的直流-直流芯片。当反馈信号FB的电压高于VTH时，比较器Comp1输出EN信号为低电平，控制DCDC控制电路关闭，禁止DCDC控制器工作。当反馈信号FB的电压低于VTH时，比较器Comp1输出EN信号为高电平，允许DCDC控制电路工作。通常，所述参考电压VHT设置为FB正常工作电压和V_IO电压之间的电压值，其中FB正常工作电压是指DCDC控制器正常工作时FB被调整稳定的目标电压值，V_IO电压为被供电芯片中常开的逻辑电路的电源电压。在一个实施例中，如FB的正常工作电压为0.6V，而V_IO电压为2.8V，则VTH可以设置为2V。

在实际应用中，所述DCDC控制电路是比较FB电压和一个内部参考电压的大小，当FB电压低于内部参考电压时，转换调整增加LX信号的占空比；当FB电压高于内部参考电压时，转换调整减小LX信号的占空比。以降压型DCDC为例，LX信号经过电感和电容(如图3中的L11和C11)滤波后产生VDD1电压，在应用处理器即被供电芯片中由可编程电阻分压电路产生FB信号，再反馈至DCDC转换电路中，这样形成了负反馈***。这样的负反馈***正常工作时会将FB电压精确调整至内部参考电压，比如当所述内部参考电压为0.6V时，FB正常工作电压即为0.6V。此电压可以由PCB板上或集成在应用处理器中独立的常开的电压调节器或DCDC转换电路供电，需一直工作，不会被关断。

通过图5和图6可知，通过被供电芯片内部控制信号对反馈信号FB电压的控制，而反馈信号FB的电压与参考电压VTH的比较可进一步实现对DCDC控制电路的使能和关断。

图7为本发明中LDO芯片在一个实施例中的电路示意图，其与图6中示出的DCDC控制电路的工作原理大体相同，只是应用电路和控制器结构不同，所以这里就不再详述。

另外，图6和图7中的实现方式，还可以在DCDC控制电路和LDO控制电路中增加对EN信号的延迟来避免对***噪声太敏感。即当EN信号从低电平变成高电平时，在一定时间之内维持高电平，而不会出现临时变低电平时，DCDC控制电路和LDO控制电路才启动和工作。同样，当EN信号从高电平变成低电平时，在一定时间之内维持低电平，而不会出现临时变高电平时，DCDC控制电路和LDO控制电路才关闭和停止工作。

上述的可编程电阻分压电路位于被供电芯片(如应用处理器)中，在较优的实施例中，可以将所述可编程分压电阻采样点合理选择在所述被供电芯片上的供电最低点处。如图8所示，其示出了中应用处理器在一个实施例中的示意图。电压VDD1从应用处理器左上角输入到被供电芯片，一般通过金线把所述芯片的压焊点和芯片管脚连接起来，R_gold是等效的封装中金线的阻抗，包括寄生电阻和电感。以寄生电阻为例，50mohm的金线电阻，当应用处理器的用电模块ARM消耗1安培电流时，在寄生电阻上将形成50mV电压降。由于这些电流还可能是动态的，所以寄生电感会导致其上电压降更大。另外由于被供电模块ARM所占芯片面积很大，供电点在左上角，由于金属布线的寄生电阻，导致右下角的电压实际比左上角要低很多，这一现象在芯片设计被称为IR drop效应。现代高级仿真软件可以比较清晰的模拟成该效应，但芯片工作场景不同，耗电电流也不同，此电压降随之变化。另外芯片制造后，芯片间也存在差异，此电阻值也不一样，等于电流和电阻乘积的电压降也不一样。同时，电阻和电流还随温度等环境因素变化。当电压太低时，就会导致数字电路无法工作，如死机现象。为了防止死机现象，通常会适当提高节点VDD1处的电压，这样可避免最低电压点的电压过低，由于存在上述不确定性，一般留有较大余量。本发明采用的一种方法是可以通过将所述可编程分压电阻R1的上端连接在最低电压点上，所以采样到的反馈电压是基于最低电压点的分压，所以可以精确控制最低点的电压，使最低电压点也有足够高的电压来保证整个电路不会死机。

在本发明中，由于每个标准的电源芯片都很小，可以采用如sot23-5或更小的封装形式，很方便的可以分布在被供电电路附近。这样保证印刷电路板上的走线较短，寄生电阻较小，使得热损耗较小，从而有助于提高***的工作效率，对于电池供电***，可以延长一次充满电量后工作时间。此外，由于本发明中每个电源芯片可以就近连接对应的可编程分压电阻电路，可以大大减小布线长度，有助于减小印刷电路板的布线面积，有利于电子***的小型化。

在实际应用中，由于将每个供电芯片进行了标准化设置，无需为每一款被供电芯片重复研究开发电源管理芯片，而只需要在生产被供电芯片时也进行相应设置即可，这样便可以避免现有技术中为了对应被供电芯片的不断升级而不断研发新的供电管理***所带来的巨大研发成本。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种电源管理***，其包括若干个电源芯片和具有若干个供电区的被供电芯片，其特征在于：每个电源芯片通过一个管脚为所述被供电芯片中的一个供电区提供电源，所述被供电芯片内部设置有若干个可编程电阻分压电路，

每个可编程电阻分压电路采集所述被供电芯片中的一个供电区的电源电压，并基于该电源电压生成一反馈电压，将所述反馈电压提供给为其对应的供电区供电的电源芯片。

2.根据权利要求1所述的电源管理***，其特征在于：所述电源芯片为直流-直流转换器芯片或线性调压器芯片。

3.根据权利要求2所述的电源管理***，其特征在于：所述直流-直流转换器芯片包括四个管脚，所述四个管脚分别为：输入电源管脚、地管脚、反馈信号管脚和开关输出管脚；所述线性调压器芯片包括四个管脚，所述四个管脚分别为：输入电源管脚、地管脚、反馈信号管脚和电压输出管脚。

4.根据权利要求1-3任一所述的电源管理***，其特征在于：所述可编程电阻分压电路包括串联于对应供电区的电源电压和地之间的若干个电阻和分别与各个电阻并联的若干个开关，每个开关的控制端由所述被供电芯片的控制信号所控制，串联的若干个电阻的一个中间节点作为反馈节点，所述反馈节点上的电压被作为所述反馈电压。

5.根据权利要求4所述的电源管理***，其特征在于：在对应供电区的电源电压和反馈节点之间设置有数个电阻，在所述反馈节点和地之间设置有数个电阻。

6.根据权利要求4所述的电源管理***，其特征在于：所述可编程电阻分压电路还包括一使能开关，所述使能开关的一个连接端连接预定电压，另一个连接端连接所述反馈节点，所述使能开关的控制端连接一使能信号。

7.根据权利要求6所述的电源管理***，其特征在于：所述电源芯片包括一比较器和控制电路，所述比较器的一个输入端接收所述反馈电压，另一个输入端连接一参考电压，其输出端输出用于控制所述控制电路使能的使能信号，所述控制电路接收所述反馈电压，并为对应的供电区提供电源。

8.根据权利要求7所述的电源管理***，其特征在于：所述参考电压设置在反馈电压的正常工作电压和对应供电区的电源电压之间，所述预定电压为对应供电区的电源电压。

9.根据权利要求1所述的电源管理***，其特征在于：所述可编程电阻分压电路中的电压采样点设置在被供电芯片中的对应供电区的电源电压最低位置。

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