笔记本电脑电源管理系统设计

关键字：电源管理系统；笔记本电脑；H8；性能分析；直流转换设计
作
者：辛尧辰 兵
指导老师：孙
I
ABSTRACT
The design of power management system for laptop
ABSTRACT
Power is one of the important parts for all electronic equipments and devices. The power’s improvement will directly lead to the performance improvement of the whole system, especially for laptop computer. Compared with desktop, the most outstanding advantage of laptop is the transportability and battery is the vital device to accomplish this function. With development of the LST, laptop becoming more and lighter, thinner, smaller and higher density, the improvement speed for power energy density cannot catch up with laptop's development speed for miniaturization and high-integration. This contradiction requires keeping improving the power management to make up the deficiency of the growing power consumptions following the high-integration, for the sake of reducing power consumptions and extending the usage time. Based on the whole set of design, this paper also discusses the improving method of power management and increasing the product services life by reducing M/B temperature when using adapter. The design also can help have longer usage time when using battery and can help have better performance when using adapter to provide power. This paper optimizes the whole system which is based on Micro process H8, then based on the request from chipset for power management, it designs several DC/DC transform circuit, power switch circuit between battery and adapter and battery charge function circuit to power for the whole chipset and external device. The whole comprehensive tests which include power output accuracy, line regulation, load characteristics, ripple and noise and so on show that the whole system not only have stable run, better performance but also have the advantage of small capacity, low power loss and more efficiency. Key words: Power management system; laptop computer; H8; performance analyze; DC/DC transform Written by Yaochen Xin Supervised by Bing Sun
II
苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明
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பைடு நூலகம்
笔记本电脑电源管理系统设计
第 1 章 绪论
第 1 章 绪论
1.1 笔记本电脑电源管理系统的概述及其国内外发展现状
1.1.1 笔记本电脑电源管理系统概述 现行市场上诸多电子设备对工作环境有极高的要求。在电压方面，需要特 定的电压以特定的时序对其供给，同时对电压的稳定性、可变化性、瞬间供载能 力，都有着很高的要求。就笔记本电脑而言，需要提供温度控制及其检测系统、 状态控制及其检测系统、输入输出系统、充电放电控制、显示屏亮度控制、多种 外设控制等，即需要一个底层的包括控制核心及周边伺服电路的控制系统。这就 意味着如果要使得这样的平台或者芯片组正常工作，就需要有一个特定的、小型 的、功能全面的、可信赖的、稳定的和可控制的嵌入式系统，来完成这样一个复 杂的控制过程。 电源管理电路的设计可以分为两个部分：控制管理电路的控制模式和产生 电源的集成电路的控制方式。 首先，控制管理电路的发展过程是从简单的时序控制到多样性的分类控制。 最早的控制管理功能仅仅是监控用户开关电脑的动作，然后下达开关机的命令， 并按照时间顺序分别开启或关闭各个用以提供电源的集成电路。 而现在的控制模 式则更为复杂，添加对电脑当前工作状态的分析以及更多的节能动作的判断，增 加了大量的反馈判断以及智能化处理模式。 其次，用于产生电源的集成电路的控制方式，从最初的 LDO（low dropout regulator） 模式， 也就是线性分压模式， 逐渐演变成更为节能的 PWM （Pulse Width Modulation）方式。PWM 模式的早期，是通过一个比较器来对 MOSFET 的栅极 做控制，从而达到稳定电压的能力，而这种方式在 MOSFET 上会产生大量的电 损耗。现在的工作模式是通过集成电路控制 2 片或 4 片 MOSFET 来产生 PWM 波， 这样可以控制了非相关回路上电流的产生， 具有极高的电源利用率和安全性。 目前各大设计单位主要都是应用这种模式来完成笔记本电脑电源的设计。 各主流 品牌的设计也大体上是如此。 1.1.2 国内外发展现状 笔记本电脑电源管理系统通常的设计是由一颗主控芯片和若干颗数字电源
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苏州大学 硕士学位论文 笔记本电脑电源管理系统设计 姓名：辛尧辰 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：孙兵 2010-10
笔记本电脑电源管理系统设计
摘要
摘
要
电源是电子产品的重要组成部分，优化电源性能可以在很大程度上提升产 品的整体性能，笔记本电脑尤其如此。与台式电脑相比，笔记本电脑最大的优越 性就是便携性。该功能主要依赖于笔记本的电池。但是随着大规模集成电路的发 展，笔记本电脑不断在向轻、薄、小及功能集成化的方向发展，而电池能量密度 的提高速度远远不能支持和满足上述发展趋势， 这就要求不断优化电源管理以弥 补高功能集成度的发展所引起的功耗上升的缺陷，降低功耗，延长用户的使用时 间。 本文的研究工作是研制一整套笔记本电脑电源管理系统，优化电源管理，同 时在使用电源适配器供电时，通过降低主板温度进一步延长产品的使用年限。基 于本文的设计思想，有助于用户在使用电池供电时拥有更长的使用时间，并在使 用电源适配器供电时拥有更好的性能。本文研究工作的具体内容包括：优化了基 于 H8 微处理器的电源管理系统，根据主板芯片组对电源管理系统的需求，设计 多组直流电源转换/供电回路，以及电池与外部直流电源切换回路、锂离子电池 充电回路为整个主板芯片组及外部设备供电。 通过对输出电源精度、电源抗拉能力、带负载能力、电转换效率、电源波 形、上下桥切换间隔等项目在内的完整测试，结果表明：该系统不但电路工作状 态稳定， 性能良好， 而且具有体积小、 散热低、 功耗低以及电转化效率高的优点。
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第 1 章 绪论
笔记本电脑电源管理系统设计
管理芯片构成，由分步式的电源管理芯片对电源进行生成和反馈，由主控芯片及 分立电路控制时序逻辑，同时主控芯片还可以兼顾温度监控、外设控制等功能， 完成芯片组及外设的各种底层需求。目前，笔记本电脑数字电源管理应用领域中 主要的设计，来自日本、美国、中国台湾的各个笔记本电脑厂商的研发团队以及 各大专院校的设计开发人员； 为笔记本电脑设计数字电源管理芯片的主要公司都 是国外的企业，例如，TI、Microchip、Zilke、r Labs、iWatt、Silicon Labs、Maxim 等。国内较国外略微处于弱势，而在将其应用到电源管理系统的设计方面，国内 已经有若干研究所或研发团队拥有自主开发设计能力，如联想电脑的研发团队。
1.2 课题的研究意义
笔记本电脑以其优越的便携性和强大的功能吸引着越来越多的电子产品消 费者，并逐步在民用及商用市场上取代台式机的传统主导地位。因此，为保证最 大化笔记本电脑的使用时间以保持其便携性这一优势， 笔记本电脑具备非常优良 的电源管理系统就显得尤为重要。另外，美国环境保护署 (EPA) 在 2008 年就已 经为计算机产品制定了 Energy Star® 标准， 其他国家也颁布了类似的能源效率 标准，为了达到标准要求，硬件产品的设计纷纷致力于如何高效使用电源。由此 可见，对笔记本电脑电源管理系统的优化设计是必然的。 首先，在笔记本电脑的便携性要求方面，要求电源管理系统具有绝对的安全 性。如低量的电磁辐射，机壳表面无漏电，表面温度低于人体的体温，防止发生 电池泄露甚至爆炸等， 这些在电源管理系统中都要求具有完整的监控系统来加以 保证。而现有的主流产品在温度监控和电源利用率方面仍然存在各种各样的欠 缺，因此出现的安全事故在笔记本电脑产品使用中时有发生。 其次，在电源管理电路设计方面，目前笔记本电脑电源管理电路设计的主要 模式是完全按照客户要求执行的。通常的做法是，在保证客户要求的情况下最小 化成本。 高效的笔记本电脑电源管理系统的设计要求是对电源的节能控制[0]、 用 户感官（运行速度、屏幕亮度、声音大小等） 、内部的电路温度控制、电源高效 性和稳定性进行优化与改进，以此保证最大化的电源利用率，同时也保证最大化 的电池持航时间和笔记本电脑的使用性能(笔记本电脑的性能主要跟运算处理器 的速度与电源有关)，降低电源元件的损耗，提高笔记本电脑电源管理系统的有 效性和节电能力。这种以减少在运行过程中的电损耗的设计理念，不仅节省了计 算机本身的用电费用，而且可以有效降低计算机周围温度控制的难度，延长硬件 的使用寿命。 最后，在成本控制和环保方面，优化电源管理系统对于与系统级别相对应的 客户群体是具有较强竞争力的。一方面，在满足用户要求的电池持航时间的前提