应用笔记 3174

为蜂窝电话选择最佳的电源管理


摘要 : 新一代手机不仅尺寸小巧,而且集成了更多的功能,如PDA功能、收/发email、信息服务以及在大尺寸、色彩丰富的显示器上浏览互联网信息。有些产品还包含了调频(FM)收音机、MP3播放器、甚至数码相机。

即使功能有所增加,消费者仍然期望在不增大尺寸的前提下保持持久的电池寿命。在一个更狭小的匣子里塞入更多功能,同时又要它消耗更少的功率,这给电源管理设计提出了极为苛刻的要求。为了应对挑战,模拟IC制造商坚持不懈地开发着更小巧、更高性能的电源方案。

电源管理IC

在大多数无线手机的心脏部分跳动着一颗电源管理IC (PMIC)。PMIC承担着大部分供电任务和一些其他单元功能,如接口或音频。一些占市场主导地位的模拟半导体厂商提供PMIC的定制、半定制和/或标准器件,这些器件通常采用针对混合信号和电源产品优化的5V亚微米BiCMOS工艺。手机中任何尚未集成化的其它功能都被试图集成到PMIC内,但通常还是建议采用一些较为适中的方案,如图1所示。基于以下考虑,某些特定单元不应被集成:1) 该单元如果采用其他不同的工艺设计会更省钱或更小;2) 该单元可能会因技术的发展或客户要求的变化在不同的设计版本中发生变化;3) 该单元可能在不同的平台上不通用; 4) 该单元可能会给研发进度带来过分的设计挑战/风险;5) 该单元可能会因性能的原因(例如噪声耦合)不适合被集成。

图1. 一种低风险、有限集成的方案实例,MAX1502标准产品电源管理IC只集成了那些支持流行的CDMA芯片组所要求的最通用的模块。
图1. 一种低风险、有限集成的方案实例,MAX1502标准产品电源管理IC只集成了那些支持流行的CDMA芯片组所要求的最通用的模块。

毋庸置疑,集成尽可能多的功能单元到PMIC中目的就是为了节省成本和尺寸,尤其是当这种集成方案被大批量的手机普遍接受时。风险可以通过随着设计的改进逐步提高集成度而得以控制。

低压差线性稳压器

蜂窝电话内部一般会用到5至12个独立的低压差线性稳压器(LDO),LDO的数量如此之多并不代表终端内部存在同样多数量的电压规格,而是由于LDO还被当作具有一定电源抑制比(PSRR)的on/off开关来阻止噪声耦合。大多数LDO集成在PMIC内部,但仍有个别分离的LDO被保留下来,主要是考虑到PCB的布局/布线、一些特殊元件(如压控振荡器)对噪声过于敏感、或者用来驱动一些非标单元例如集成数码相机等。多年以来,SOT23封装的150mA LDO是这些离散电源的最佳选择。目前,一些最新面世的IC采用新型封装、新型亚微米处理工艺和先进的设计方案,能够以更小的尺寸提供更高的性能。现在你可以由SOT23获得单个300mA的LDO,SOT23封装的两路150mA LDO,或微型SC70封装的单个120mA LDO,兼有标准版和超低噪声(10µVRMS、85dB PSRR)版器件。此外,更为先进的晶片级封装(UCSP™)提供了最大可能的细小尺寸,而QFN封装则允许在3mm x 3mm面积的塑料封装中装入最大的晶片尺寸,同时又提供更高的热传导能力。因此,QFN封装可实现更高电流的LDO和每封装更多数量的LDO。其中可包含三个、四个甚至五个LDO,这就缩小了分离式方案和PMIC之间的差异。

用于处理器核的降压型(buck)转换器

LDO具有简单、小尺寸等特点,其主要缺陷是效率较低,特别是为低压电路供电时效率问题更加突出。由于在新一代蜂窝电话内部集成了PDA功能或互联网功能,要求处理器的数据处理能力、运算能力更加强大,为了降低功耗处理器的核电压不断降低,从1.8V降到了0.9V。为了降低电池损耗,应采用高效的降压型转换器为处理器核供电。设计中需要考虑的主要因素有:低成本、小尺寸、高效率、低静态(待机)电流和快速瞬态响应。为解决上述问题不仅需要丰富的模拟设计经验,还需要一定的独创能力。就目前来说,只有少数几家领先的模拟半导体制造商能够提供适当的、SOT23封装、具有1MHz以上开关频率、允许选用微型外部电感和电容元件的降压型转换器。

为RF功率放大器供电的降压型(buck)转换器

在比较成熟的日本蜂窝电话市场,buck转换器还被用于驱动CDMA射频功率放大器(PA),它会随着终端与基站之间距离的改变动态调节功放的VCC电源电压。考虑了发送概率密度函数后,buck转换器平均可节省40mA到65mA的电池电流。具体节省电流的数量取决于输出电压的级数、PA的特性、以及是在城区还是郊区发送语音或数据。基于日本的成功经验和一家欧洲WCDMA厂商的先期工作,韩国、美国和其他一些欧洲的蜂窝电话厂商现已开始利用这种开关调节器进行测试或设计。要求这种buck转换器具有非常小的尺寸、低成本、低输出纹波和高效率等特点。SOT23转换器再次成为优选方案。为保持尽可能低的压降,通常采用一个分离的低RDS(ON) P沟道MOSFET在高发送功率时直接由电池驱动PA。为了进一步减小总体尺寸,最新的降压转换器(例如MAX8500系列)集成了这个附加的FET。

越来越多的LED

带有彩色显示屏的无线手机中,白色LED因其电路简单和非常高的可靠性现已成为背光应用中的主流。效率高于卤素灯,但还无法与荧光灯相比。新一代蜂窝电话一般使用三或四只白色LED在主显示屏中,两只白色LED在副显示屏中(折叠式设计),还有六只或更多白色或彩色LED在键盘的背面。如果集成有相机的话,还至少需要四只白色LED用于闪光灯/频闪和MPEG影像照明。这样,在一个手机内总共用到了16只LED,它们全部都需要恒流驱动。

数年以前,第一代产于日本的彩显手机采用的是效率较低的1.5倍压电荷泵和镇流电阻(这种方案实际上浪费掉了他们经过千辛万苦,利用buck转换器驱动PA所省下的40mA电流)。目前,大多数设计中采用基于电感的升压转换器来获得更高的转换效率。新推出的1倍/1.5倍压电荷泵可以获得同样高的效率,而且省去了外部电感,只是与LED连接时需要许多引线。由于LED电源的市场非常大,不可胜数的IC被设计出来用于此目的。设计中需要考虑的因素包括:高效率,小尺寸外部元件,低输入纹波(防止噪声耦合到其它电路),简单的调光接口,以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性,例如输出过压保护。一些PMIC包括一个白色LED电源,但通常不能驱动多个显示器或相机的频闪,而且可能存在效率低或开关速度过慢的问题。这就要求大尺寸的电感和电容,并产生很大的输入纹波。很多设计中常常需要采用一个分离的IC与PMIC配合工作,或直接选用高集成度的分离方案(如MAX1582,图2)。

图2. 由于LED背光是手机中的用电大户之一,MAX1582利用一个高效的升压转换器来照亮主显示器、辅助显示器和键盘。
图2. 由于LED背光是手机中的用电大户之一,MAX1582利用一个高效的升压转换器来照亮主显示器、辅助显示器和键盘。

电池充电

几乎所有无线手机都用简单的线性充电器为3节NiMH电池或1节锂电池充电。很多情况下该充电器被集成到PMIC内,不过,为了简化设计,检流电阻和调整管还是在外部。为了保证热耗散在容许范围内有许多措施可以选择:1) 以C/4或更慢的速率充电;2) 让墙上适配器具有一定的阻性,使大部分电压降落在它上面;3) 选用脉冲充电方式和限流型墙上适配器;4) 利用反馈调节墙上适配器使调整管上的压差保持恒定;或者5) 增加一个恒定热量控制环路,通过节制充电电流来保持恒定的晶片温度,这种方式只有在调整管置于PMIC内部时才可用。分离式充电IC具有很多灵活性,但在蜂窝电话中这种优势大打折扣,因为集成式充电器很容易通过PMIC的串行接口重新编程设置,使其适应不同的电池化学类型或容量。

相似文章发表于2003年5月号的Connecting Industry (UK)上。


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