3G手機(jī)電源管理的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

不斷增多的功能使手機(jī)設(shè)計(jì)面臨更嚴(yán)峻的電源管理挑戰(zhàn)。本文從電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、閃光燈電路、電池充電等方面分析了未來(lái)手機(jī)的電源管理設(shè)計(jì)趨勢(shì)和各種相應(yīng)的解決方案。

3G手機(jī)不僅可以瀏覽網(wǎng)頁(yè)、發(fā)送電子郵件、拍攝數(shù)碼相片，甚至能播放視頻流。手機(jī)制造商正面臨越來(lái)越大的壓力，因?yàn)樗麄儽仨毎堰@些功能集成進(jìn)不斷縮小的體積內(nèi)，同時(shí)要讓手機(jī)維持較長(zhǎng)的工作時(shí)間。

圖1

從圖1可以看出，不斷增多的功能促使手機(jī)需要更多不同功率水平的低電壓輸出電平。一個(gè)例子是用于圖像處理的應(yīng)用處理器，它在視頻捕獲期間需要高達(dá)360mw的功率。在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，手機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)的負(fù)載所需的峰值功率通常將超過(guò)4W。這么高的功率會(huì)很快耗盡電池的能量。影響電池運(yùn)行時(shí)間的另一重要因素是電源效率和系統(tǒng)電源管理。

低電源轉(zhuǎn)換效率將導(dǎo)致發(fā)熱。這種熱量是因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失而產(chǎn)生的。但手機(jī)中沒(méi)有用于冷卻的風(fēng)扇或散熱片，而只有密集封裝的印制電路板。因此沒(méi)有任何通道可讓熱量散出。這些熱量會(huì)縮短電池壽命，并降低產(chǎn)品的可靠性。

由于電壓轉(zhuǎn)換期間會(huì)產(chǎn)生熱量，業(yè)界需要重新考慮應(yīng)該采用何種穩(wěn)壓器。目前，制造商正在采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器取代簡(jiǎn)單但低效的線性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器具有更高的效率。

對(duì)于可滿足手機(jī)內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換需求的不同電壓穩(wěn)壓器，我們必須認(rèn)真考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表1)。目前有三種選擇：線性LDO穩(wěn)壓器、無(wú)電感型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(亦稱(chēng)為充電泵)以及傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(基于電感器) 。

線性LDO穩(wěn)壓器被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的方案，它只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換到更低的電壓。它最顯著的缺點(diǎn)是熱量管理，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)換效率接近于輸出電壓與輸入電壓的比值。例如，一個(gè)LDO的輸入端是標(biāo)稱(chēng)為3.6V的單單元鋰離子電池，它在輸出電流為200mA時(shí)提供1.8V的輸出電壓，以驅(qū)動(dòng)圖像處理器。那么，它的轉(zhuǎn)換效率只有50%，因此它會(huì)在手機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生熱點(diǎn)，同時(shí)會(huì)縮短電池使用時(shí)間。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可避開(kāi)所有線性穩(wěn)壓器的效率缺點(diǎn)。通過(guò)使用低阻抗開(kāi)關(guān)和磁存儲(chǔ)組件，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率能達(dá)到96%，從而顯著減少轉(zhuǎn)換過(guò)程的功率損耗。由于工作在非常高的開(kāi)關(guān)頻率(大于2MHz)，這可以減小外部電感和電容的尺寸。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)比較少，而且能夠通過(guò)良好的設(shè)計(jì)技術(shù)加以克服。

介于線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之間的是充電泵。在充電泵中，外部?jī)?chǔ)能元件是電容而不是電感。由于沒(méi)有電感，它可以減輕潛在的電磁干擾問(wèn)題，以免影響敏感的RF接收器或藍(lán)牙芯片組。充電泵的缺點(diǎn)是有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力。

拍照功能引發(fā)的挑戰(zhàn)

許多3G手機(jī)都能拍照甚至傳送視頻流。不過(guò)，當(dāng)消費(fèi)者開(kāi)始接受這些內(nèi)置相機(jī)的手機(jī)時(shí)，他們要求擁有更高質(zhì)量的攝像能力。業(yè)界已經(jīng)準(zhǔn)備采用改進(jìn)的圖像傳感器和光學(xué)系統(tǒng)，但工程師要特別關(guān)注高質(zhì)量的 “閃光” 照明。閃光燈是獲得良好攝像性能的關(guān)鍵，但當(dāng)你準(zhǔn)備在結(jié)構(gòu)緊湊的3G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能時(shí)必須謹(jǐn)慎考慮。

對(duì)于兩百萬(wàn)像素照相手機(jī)，內(nèi)置閃光燈的尺寸和性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素。現(xiàn)在，閃光照明有兩種實(shí)際選擇：白光LED(發(fā)光二極管)和閃光燈。表2比較了LED與閃光燈的性能。LED的優(yōu)勢(shì)是具有連續(xù)工作能力，而且只需要低密度的支持電路。

然而，閃光燈擁有一些對(duì)高質(zhì)量攝像特別重要的特性。它的線源光輸出是點(diǎn)源LED的數(shù)百倍，因而可以在大范圍內(nèi)產(chǎn)生密集且容易發(fā)散的光線。此外，閃光燈的色溫是5500°K至6000°K，這非常接近自然光，從而消除了白光LED在藍(lán)光峰值輸出時(shí)所需的色彩校正。

大多數(shù)設(shè)計(jì)師希望擁有氙閃光燈的性能，但他們必須保證電路尺寸和復(fù)雜度不會(huì)對(duì)方案的具體實(shí)現(xiàn)造成負(fù)面影響。要更好地理解與此任務(wù)相關(guān)的設(shè)計(jì)困難，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)考慮閃光燈的物理尺寸和操作以及為了確保它安全、正確地工作所需的支持電路。

閃光燈及其支持電路

閃光燈通常是一個(gè)充滿氙氣的圓柱形玻璃管，其陽(yáng)極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿?zé)艄芡獗砻娣植嫉挠|發(fā)電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電壓一般是在幾千伏范圍內(nèi)。一旦發(fā)生擊穿，燈阻抗會(huì)下降到1W以下，此時(shí)流過(guò)擊穿氣體的高電流就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見(jiàn)光。

閃光燈由觸發(fā)電路和一個(gè)可產(chǎn)生高瞬態(tài)電流的儲(chǔ)能電容控制。工作時(shí)，閃光電容器一般被充電至300V。最初，電容器不能放電，因?yàn)殚W光燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。但當(dāng)觸發(fā)電路接到命令后即會(huì)給燈施加數(shù)千伏的高壓，于是燈被擊穿，從而使電容器放電。對(duì)閃光重復(fù)率的主要限制是燈能否安全散熱。第二個(gè)限制是充電電路給閃光電容器充滿電所需的時(shí)間。根據(jù)目前的輸入功率、電容值及充電電路特性，充電時(shí)間一般在1到5秒之間。

閃光電容器充電器基本上是一種具有某些特殊能力的變壓器耦合升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)其 “充電” 控制線為高電位時(shí)，穩(wěn)壓器同步內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)，使升壓變壓器產(chǎn)生高電壓脈沖。然后，這些脈沖再經(jīng)整流和濾波，產(chǎn)生300V的直流輸出，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%。

一種可滿足以上所有技術(shù)及性能要求的完整閃光燈電路。通過(guò)利用LT3468-1(一款采用SOT-23封裝的閃光電容器充電器)，該解決方案可提供適合3G手機(jī)的緊湊外形。

圖2

圖2左上方是電容器充電電路。一個(gè)肖特基二極管(D2)用來(lái)安全箝位T1引起的反向瞬態(tài)電壓。升壓變壓器T2用來(lái)產(chǎn)生高電壓觸發(fā)脈沖。假設(shè)C1被完全充電，那么當(dāng)Q1～Q2使Q3導(dǎo)通時(shí)，C2將電流儲(chǔ)存進(jìn)T2主端。然后，T2副端將高壓觸發(fā)脈沖提供給閃光燈，使其電離并導(dǎo)電。C1通過(guò)閃光燈放電，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。整個(gè)電路占位面積小于400mm2且高度不超過(guò)6mm (包括閃光燈在內(nèi))。

電池充電解決方案

事實(shí)上，所有3G手機(jī)都采用鋰離子電池作為主電源。由于散熱及空間的限制，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)考慮選用何種類(lèi)型的電池充電器，以及還需要哪些特性來(lái)確保對(duì)電池進(jìn)行安全及精確的充電。

線性鋰離子電池充電器的一個(gè)明顯趨勢(shì)是封裝尺寸繼續(xù)減小。但值得關(guān)注的是在充電周期(尤其在高電流階段)冷卻IC所需的板空間或通風(fēng)條件。充電器的功耗會(huì)使IC的接合部溫度上升。加上環(huán)境溫度，它會(huì)達(dá)到足夠高的水平，使IC過(guò)熱并降低電路可靠性。此外，如果過(guò)熱，許多充電器會(huì)停止充電周期，只有當(dāng)接合部溫度下降后才恢復(fù)工作。如果這種高溫持續(xù)存在，那么 充電器“停止和開(kāi)始”的反復(fù)循環(huán)也將繼續(xù)發(fā)生，從而延長(zhǎng)充電時(shí)間。為減少這些風(fēng)險(xiǎn)，用戶只能選擇減小充電電流來(lái)延長(zhǎng)充電時(shí)間或增大板面積來(lái)散熱。因此，由于增加了PCB散熱面積及熱保護(hù)材料，整個(gè)系統(tǒng)成本也將上升。

對(duì)此問(wèn)題有兩種解決方案。首先，需要一種智能的線性鋰離子電池充電器，它不必為擔(dān)心散熱而犧牲PCB面積，并采用一種小型的熱增強(qiáng)封裝，允許它監(jiān)視自己的接合部溫度以防止過(guò)熱。如果達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度閾值，充電器能自動(dòng)減少充電電流以限制功耗，從而使芯片溫度保持在安全水平。第二種解決方案是使用一種即使充電電流很高時(shí)也幾乎不發(fā)熱的充電器。這要求使用脈沖充電器，它是一種完全不同于線性充電器的技術(shù)。脈沖充電器依靠經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)且電流受限的墻上適配器來(lái)充電。

方案一 ： LTC4059A線性電池充電器

LTC4059A是一款用于單節(jié)鋰離子電池的線性充電器，它無(wú)需使用三個(gè)分立功率器件，可快速充電而不用擔(dān)心系統(tǒng)過(guò)熱。監(jiān)視器負(fù)責(zé)報(bào)告充電電流值，并指示充電器是何時(shí)與輸入電源連接的。它采用盡可能小的封裝但沒(méi)有犧牲散熱性能。整個(gè)方案僅需兩個(gè)分立器件(輸入電容器和一個(gè)充電電流編程電阻)，占位面積為2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封裝，占位面積只有SOT-23封裝的一半，并能提供大約60℃/W的低熱阻，以提高散熱效率。通過(guò)適當(dāng)?shù)腜CB布局及散熱設(shè)計(jì)，LTC4059A可以在輸入電壓為5V的情況下以最高900mA的電流對(duì)單節(jié)鋰離子電池安全充電。此外，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮最壞情況下的功耗，因?yàn)長(zhǎng)TC4059A采用了專(zhuān)利的熱管理技術(shù)，可以在高功率條件(如環(huán)境溫度過(guò)高)下自動(dòng)減小充電電流。

方案二 ：帶過(guò)流保護(hù)功能的LTC4052脈沖充電器

LTC4052是一款全集成的脈沖充電器，用于單節(jié)4.2V鋰離子/鋰聚合物電池。當(dāng)輸入電壓為5.25V并以0.8A電流進(jìn)行快速充電時(shí)，LTC4052的功耗大約為280mW，而線性充電器解決方案的功耗則高達(dá)1.8W。與采用電感來(lái)獲得高效率和低散熱的開(kāi)關(guān)充電器不同，LTC4052采用無(wú)電感設(shè)計(jì)。利用LTC4052設(shè)計(jì)的700mA至2A鋰離子/鋰聚合物電池充電器電路僅占70mm2 的面積 ，且高度低于1.7mm。通過(guò)將功耗減至最低水平，LTC4052可放寬終端設(shè)備對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求，允許采用更小的封裝、更小的散熱氣流以及更小的PCB面積，而且能消除熱點(diǎn)，從而無(wú)需使用散熱片或風(fēng)扇.

圖3

LTC4052需要一個(gè)電流受限的墻上適配器，以控制充電電流的大小。它還需配備過(guò)流保護(hù)電路，以便在意外使用較高電流或墻上適配器發(fā)生故障時(shí)能提供保護(hù)。LTC4052是一款全集成的脈沖充電器，無(wú)需使用外部MOSFET或阻流二極管 (見(jiàn)圖3)。這款獨(dú)立的充電器IC具有C/10檢測(cè)、充電狀態(tài)指示、充電結(jié)束定時(shí)器、墻上適配器檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)等功能。LTC4052的輸入電源可以是4.5V到12V，并具有1%的 飄移電壓精度。

總結(jié)

隨著在3G手機(jī)的功能不斷增加，凌特將繼續(xù)推出各種創(chuàng)新的IC，使這些手機(jī)不僅能維持目前的外形尺寸，而且還不用犧牲性能、可靠性及電池使用壽命。