為蜂窩電話選擇最佳的電源管理

標(biāo)簽：蜂窩電話  電源管理

摘要

新一代手機(jī)不僅尺寸小巧，而且集成了更多的功能，如PDA功能、收/發(fā)電子郵件、信息服務(wù)以及在大尺寸、色彩豐富的顯示器上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)信息。有些產(chǎn)品還包含了調(diào)頻(FM)收音機(jī)、MP3播放器、甚至數(shù)碼相機(jī)。

即使功能有所增加，消費(fèi)者仍然期望在不增大尺寸的前提下保持持久的電池壽命。在一個(gè)更狹小的匣子里塞入更多功能，同時(shí)又要它消耗更少的功率，這給電源管理設(shè)計(jì)提出了極為苛刻的要求。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，模擬IC制造商堅(jiān)持不懈地開發(fā)著更小巧、更高性能的電源方案。

電源管理IC

在大多數(shù)無線手機(jī)的心臟部分跳動(dòng)著一顆電源管理IC (PMIC)。PMIC承擔(dān)著大部分供電任務(wù)和一些其他單元功能，如接口或音頻。一些占市場主導(dǎo)地位的模擬半導(dǎo)體廠商提供PMIC的定制、半定制和/或標(biāo)準(zhǔn)器件，這些器件通常采用針對混合信號和電源產(chǎn)品優(yōu)化的5V亞微米BiCMOS工藝。手機(jī)中任何尚未集成化的其它功能都被試圖集成到PMIC內(nèi)，但通常還是建議采用一些較為適中的方案，如圖1所示。基于以下考慮，某些特定單元不應(yīng)被集成：1) 該單元如果采用其他不同的工藝設(shè)計(jì)會更省錢或更小;2) 該單元可能會因技術(shù)的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設(shè)計(jì)版本中發(fā)生變化;3) 該單元可能在不同的平臺上不通用; 4) 該單元可能會給研發(fā)進(jìn)度帶來過分的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)/風(fēng)險(xiǎn);5) 該單元可能會因性能的原因(例如噪聲耦合)不適合被集成。

毋庸置疑，集成盡可能多的功能單元到PMIC中目的就是為了節(jié)省成本和尺寸，尤其是當(dāng)這種集成方案被大批量的手機(jī)普遍接受時(shí)。風(fēng)險(xiǎn)可以通過隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)逐步提高集成度而得以控制。

低壓差線性穩(wěn)壓器

蜂窩電話內(nèi)部一般會用到5至12個(gè)獨(dú)立的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內(nèi)部存在同樣多數(shù)量的電壓規(guī)格，而是由于LDO還被當(dāng)作具有一定電源抑制比(PSRR)的on/off開關(guān)來阻止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMIC內(nèi)部，但仍有個(gè)別分離的LDO被保留下來，主要是考慮到PCB的布局/布線、一些特殊元件(如壓控振蕩器)對噪聲過于敏感、或者用來驅(qū)動(dòng)一些非標(biāo)單元例如集成數(shù)碼相機(jī)等。多年以來，SOT23封裝的150mA LDO是這些離散電源的最佳選擇。目前，一些最新面世的IC采用新型封裝、新型亞微米處理工藝和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能?，F(xiàn)在你可以由SOT23獲得單個(gè)300mA的LDO，SOT23封裝的兩路150mA LDO，或微型SC70封裝的單個(gè)120mA LDO，兼有標(biāo)準(zhǔn)版和超低噪聲(10?VRMS、85dB PSRR)版器件。此外，更為先進(jìn)的晶片級封裝(UCSP)提供了最大可能的細(xì)小尺寸，而QFN封裝則允許在3mm x 3mm面積的塑料封裝中裝入最大的晶片尺寸，同時(shí)又提供更高的熱傳導(dǎo)能力。因此，QFN封裝可實(shí)現(xiàn)更高電流的LDO和每封裝更多數(shù)量的LDO。其中可包含三個(gè)、四個(gè)甚至五個(gè)LDO，這就縮小了分離式方案和PMIC之間的差異。

用于處理器核的降壓型(buck)轉(zhuǎn)換器

LDO具有簡單、小尺寸等特點(diǎn)，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時(shí)效率問題更加突出。由于在新一代蜂窩電話內(nèi)部集成了PDA功能或互聯(lián)網(wǎng)功能，要求處理器的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力更加強(qiáng)大，為了降低功耗處理器的核電壓不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池?fù)p耗，應(yīng)采用高效的降壓型轉(zhuǎn)換器為處理器核供電。設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素有：低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)(待機(jī))電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還需要一定的獨(dú)創(chuàng)能力。就目前來說，只有少數(shù)幾家領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體制造商能夠提供適當(dāng)?shù)?、SOT23封裝、具有1MHz以上開關(guān)頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉(zhuǎn)換器。

為RF功率放大器供電的降壓型(buck)轉(zhuǎn)換器

在比較成熟的日本蜂窩電話市場，buck轉(zhuǎn)換器還被用于驅(qū)動(dòng)CDMA射頻功率放大器(PA)，它會隨著終端與基站之間距離的改變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功放的VCC電源電壓?？紤]了發(fā)送概率密度函數(shù)后，buck轉(zhuǎn)換器平均可節(jié)省40mA到65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數(shù)量取決于輸出電壓的級數(shù)、PA的特性、以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語音或數(shù)據(jù)?；谌毡镜某晒?jīng)驗(yàn)和一家歐洲WCDMA廠商的先期工作，韓國、美國和其他一些歐洲的蜂窩電話廠商現(xiàn)已開始利用這種開關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)行測試或設(shè)計(jì)。要求這種buck轉(zhuǎn)換器具有非常小的尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等特點(diǎn)。SOT23轉(zhuǎn)換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個(gè)分離的低RDS(ON) P溝道MOSFET在高發(fā)送功率時(shí)直接由電池驅(qū)動(dòng)PA。為了進(jìn)一步減小總體尺寸，最新的降壓轉(zhuǎn)換器(例如MAX8500系列)集成了這個(gè)附加的FET。

越來越多的LED

帶有彩色顯示屏的無線手機(jī)中，白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現(xiàn)已成為背光應(yīng)用中的主流。效率高于鹵素?zé)簦€無法與熒光燈相比。新一代蜂窩電話一般使用三或四只白色LED在主顯示屏中，兩只白色LED在副顯示屏中(折疊式設(shè)計(jì))，還有六只或更多白色或彩色LED在鍵盤的背面。如果集成有相機(jī)的話，還至少需要四只白色LED用于閃光燈/頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個(gè)手機(jī)內(nèi)總共用到了16只LED，它們?nèi)慷夹枰懔黩?qū)動(dòng)。

數(shù)年以前，第一代產(chǎn)于日本的彩顯手機(jī)采用的是效率較低的1.5倍壓電荷泵和鎮(zhèn)流電阻(這種方案實(shí)際上浪費(fèi)掉了他們經(jīng)過千辛萬苦，利用buck轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)PA所省下的40mA電流)。目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器來獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。新推出的1倍/1.5倍壓電荷泵可以獲得同樣高的效率，而且省去了外部電感，只是與LED連接時(shí)需要許多引線。由于LED電源的市場非常大，不可勝數(shù)的IC被設(shè)計(jì)出來用于此目的。設(shè)計(jì)中需要考慮的因素包括：高效率，小尺寸外部元件，低輸入紋波(防止噪聲耦合到其它電路)，簡單的調(diào)光接口，以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性，例如輸出過壓保護(hù)。一些PMIC包括一個(gè)白色LED電源，但通常不能驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器或相機(jī)的頻閃，而且可能存在效率低或開關(guān)速度過慢的問題。這就要求大尺寸的電感和電容，并產(chǎn)生很大的輸入紋波。很多設(shè)計(jì)中常常需要采用一個(gè)分離的IC與PMIC配合工作，或直接選用高集成度的分離方案。

電池充電

幾乎所有無線手機(jī)都用簡單的線性充電器為3節(jié)NiMH電池或1節(jié)鋰電池充電。很多情況下該充電器被集成到PMIC內(nèi)，不過，為了簡化設(shè)計(jì)，檢流電阻和調(diào)整管還是在外部。為了保證熱耗散在容許范圍內(nèi)有許多措施可以選擇：1) 以C/4或更慢的速率充電;2) 讓墻上適配器具有一定的阻性，使大部分電壓降落在它上面;3) 選用脈沖充電方式和限流型墻上適配器;4) 利用反饋調(diào)節(jié)墻上適配器使調(diào)整管上的壓差保持恒定;或者5) 增加一個(gè)恒定熱量控制環(huán)路，通過節(jié)制充電電流來保持恒定的晶片溫度，這種方式只有在調(diào)整管置于PMIC內(nèi)部時(shí)才可用。分離式充電IC具有很多靈活性，但在蜂窩電話中這種優(yōu)勢大打折扣，因?yàn)榧墒匠潆娖骱苋菀淄ㄟ^PMIC的串行接口重新編程設(shè)置，使其適應(yīng)不同的電池化學(xué)類型或容量。