智能手机电源管理系统的设计

自庞大笨重的“手提”电话或受限于车载蓄电池的电话问世以来，蜂窝电话技术经历了一段漫长的发展历程。如今的电话不仅外形纤巧，而且功能远远超出了拨打电话。新型 3.xG  智能电话将传统的 2G 蜂窝电话与类似于 PDA 的功能以及数码相机 (DSC)、音乐播放器 (MP3) 及全球定位系统 (GPS) 结合在一起。要提供如此丰富多样的功能，就需要无数的元器件，而其中大部分元器件都具有不同的电压与不断增大的电流，因此这对电源系统提出了更高的要求。图 1 显示了从 2G 语音呼叫到 3G 视频呼叫预计需要提高的功率量。
 

　　同时，消费者需要更小巧的电话。本文介绍了两种可选电源管理系统，以帮助智能电话系统设计人员满足如下竞争性目标 ：最小型封装和增大的电源需求、提供最佳功效以最大限度延长电池使用寿命，以及最新一代手机的容许电源噪声／纹波等。
　　电池的选择
　　在设计电源管理系统时，首要任务是选择可充电电池。目前只有两种选择，分别是 NiMH 电池及锂离子电池。锂离子电池的体积与重量能量密度（270~300 Wh/l 与 110~130 Wh/kg）通常高于 NiMH 电池（220~300 Wh/l 与 75~100 Wh/kg）。因此，对于相同的能量来说，锂离子电池比相应的 NiMH 电池的体积更小、重量更轻。此外，锂离子电池的工作电压 (3.6V) 要高于 NiMH 的工作电压 (1.2V)。大多数手机的电源均使用 1.2V 及 3.3V 。要最大限度地提高开关转换器的效率，通常从高电平降压至低电平要比从低电平升压至高电平的效率高。因此，锂离子电池是最佳的选择。
　　正确管理与控制可充电电池对最大限度地延长电池使用寿命来说至关重要。电池管理包括三个组成部分：电荷控制、电池监控与电池保护。电荷控制 IC 从具有外部元件的线性控制器到具有集成开关、更高效、基于开关的控制器，经历了巨大的发展。电池充电器必须处理的电流范围为 500mA 至 1500 mA，以提供更短的充电周期。电池本身通常自带电池监控与保护 IC。电池监控 IC 像“库仑计数器”那么简单，CPU 必须通过该 IC 来计算所剩的电池使用寿命，以便对集成微处理器进行电量监测，该微处理器可通过简单的通信接口直接向 DSP/CPU 提供剩余电量、可使用时间、电压、温度以及平均电流测量值。
　　电源拓扑
　　接下来，设计人员必须确定电源 IC 的类型，不管它是基于电感器的开关转换器（具有集成 FET）、无电感器的开关转换器（或充电泵），还是线性稳压器。每种类型都有各自的优势。从效率方面来看，基于电感器的开关整体效率最高，其次是充电泵，最后才是线性稳压器。成本通常与效率成反比，线性稳压器的成本最低廉，其次是充电泵，最后是基于电感器的开关。线性稳压器没有输出纹波，而充电泵有一些输出纹波，开关则是这三者中输出纹波最高的一个。从解决方案的总体大小来看，线性稳压器的体积最小，通常只需要一个输入与输出电容器；除了输入与输出电容器之外，充电泵另外还需要一个或两个“快速”电容器 (flying capacitor) ；开关需要一个电感器，其封装大小各不相同。

　　2G 电话的集成度较低，其集成器件可能是数字器件（如 DSP 与 ADC），也可能是模拟组件（如电源管理系统）。在设计电源管理系统时，系统设计人员通常会先考虑成本及大小，然后再考虑其效率。由于线性稳压器只能对其输入电压进行降压，所以只有当电压降至 3.3V 时才能使用该电池。使用中低电流的线性稳压器可以将电池电压降至 3.0V 至 2.8V 范围内的剩余电源电压。在 3.xG 电话芯片组中，目前的基带处理器包括 DSP、微处理器／控制器、用于控制射频的 ADC 与 DAC 以及音频信号处理。该处理器的内核电压将降至 1.2V 或 1.2V 以下，而 I/O 与外设电压则开始降至 2.5V 到 3.0V 之间。由于 3.xG 电话电源电平的电流需求通常大于2G电话，因此 3.xG 设计人员需要 DC/DC 转换器，以提供比线性稳压器更高的效率，从而延长电池使用寿命。
　　要进一步延长电池使用寿命，许多设计人员都需要考虑在终端电压降至 2.7V 时使用锂离子电池。为此，他们面临着生成 3.3V电压的挑战。如果设计人员将电池电压降至 2.7V，并使用正降压－升压或 SEPIC 转换器来提供 3.3V电压，则便携设备将会有更长的电池使用寿命，这似乎有一定的道理。但是，如果对表 1 中的 600 mAh 电池进行简单分析就会发现情况并非如此（表 1）。如果充分利用 SEPIC型转换器的电池电量，而不是将电池电压稳定在 3.3V，并使用最高效率的降压转换器，则所节约的电池电量非常有限。
　　此外，如果考虑到双电感器 SEPIC 转换器的成本较高，或 考虑到某些新型、更高效率的正降压－升压转换器，则将电池电压稳定在 3.3V 并使用高效率开关降压转换器来提供 3.3V 也不失为一种有效的方法，甚至可能是一种更诱人的选择。因此，下面介绍的离散解决方案使用了降压转换器，而集成解决方案则使用SEPIC 转换器来提供 3.3V 。
　　系统概述
　　智能电话中对不同组件的电源要求不同。图 2 中显示了蜂窝电话中主要组件电源需求的简单结构图。例如，射频部分的 VCO 与 PLL 要求电源电平具有极低的噪声与极高的电源抑制，以确保提供最高的收发性能。因此，尽管线性稳压器的效率非常低，但由于它没有输出纹波，因而对于该电平来说是最佳的选择。此外，它对在 IF 频带外保持 DC/DC 转换器的交换频率以及其第 2 个与第 3 个谐波来说非常重要。由于 DSP/CPU 内核电压已降至大约 1V 左右，因此基于电感器的高效率开关降压转换器也是合适的选择。提供屏幕背光的白色 LED 可通过充电泵或基于电感器的升压转换器来实现供电。

　　动态电压估量
　　图1显示了功率需求最大的两个组件，一个是射频部分，其主要是发送器的功率放大器 (PA)，另一个是基带处理器。根据电话距离基站的远近程度，一次呼叫 PA 可消耗高达 75% 的总电量，而在待机模式下仅消耗 30%。通常，带有非线性 PA 的旧式 GSM 电话发送器的效率大约为 50%。但是，像 WCDMA 这样的最新标准则要求幅度与相位同时调制，而这只能通过工作效率在 25% 至 35% 之间的线性 PA 来提供。此外，CDMA2000 1x 电话的正常基带处理器负载要求均在 60  至 120 mA 之间。因此，为 PA 及处理器提供最大功效是至关重要的。

　　与大规模集成 IC 中所采用的技术类似，动态／自适应电压估量 (DVS/AVS)在闭环系统中将处理器与稳压器链接在一起，该系统可对数字电源电压进行动态调节，以达到执行相应操作所需的最低电平。PA 经过专门优化，可在最大的发送功率下提供最高的效率。由于大多数手机在使用时都距基站较近，因此手机无线电可将发送功率降至维持高质量通信所需的最低水平。电源级别降低时，PA 效率也会相应降低。从图 3 中可以看出，通过采用动态电压估量并调节功率放大器的电压，可以将效率提高10% 到 20%。
　　由于数字处理器的功耗与电压的平方成正比，因此动态电压估量也可用于CPU。如果 CPU 在待机或某些其它功能减少的模式下能够以较低的频率继续操作，则可降低其电压，以降低功耗、提高效率并延长电池使用寿命。例如，假设OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 锂离子电池输入的 TPS62200 来进行供电，其特性如下：
　　无 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）： 
　　Vout = 1.5V @ 300uA
　　效率  =  93% 
　　具有 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）： 
　　Vout = 1.1V @ 250uA
　　效率 = 93%
　　AWAKE （PWM 模式下的 TPS62200）：  
　　Vout= 1.5V @ 100mA
　　效率 = 96%
　　假设用法配置为 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠，可以将输出电源与时间的关系绘制成图形，从图中可以看出，通过采用深度休眠模式下的 DVS，电池使用寿命可延长 9 小时。
　　离散解决方案
　　图 4 显示了通过分立 IC 并将电池电压限制在 3.3 V 的条件下实施的电源管理系统。
　　在该解决方案中，高效 TPS62200 降压转换器以 100% 的占空度模式运行，使得锂离子电池的电压几乎可以降至 3.3 V，同时仍可提供 3.3 V I/O 电平。除了bq24020 电池充电器、TPS61020 升压转换器及 TPS61042 WLED 驱动器采用 3×3 mm2 QFN 封装之外，上述所有组件均采用 SOT-23 封装。TPS61040 与 TPS61042集成了高侧 FET，每个组件只需要一个外部二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 以及线性稳压器器件均集成了 FET。功率放大器及CPU 电源电平上的动态电压估量功能通过提高每个组件的效率，有助于降低功耗。

　　集成解决方案
　　借助最新的工艺技术，可以更轻松地组合、快速修改与／或充分利用现有的分立 IC 设计，以生产出不同级别的集成 IC。例如，普通双开关转换器 IC 与双高 PSRR、低噪声线性稳压器、专用白色 LED 电源、手机、PDA 以及数码相机多电平电源管理解决方案目前均已上市。采用电源 IC（如下图 5 中 所示的集成解决方案中所使用的 TPS65010）的终端设备均集成了外设，它的功能包括从支持手机的振铃与蜂鸣器控件到支持 PDA 的通用 I/O（如GPIO）。

　　在此解决方案中，3.3 V I/O 电平由 SEPIC 转换器提供，该转换器允许锂离子电池降至其最低电平（大约2.7 V）。如同在离散解决方案中一样，由稳压器提供的电平可从 3.3V 电平开始降低，以提高效率。TPS65010 采用 48 引脚 QFN 封装，并完全集成了 FET。采用 4×4mm2 QFN 封装的 TPS61130 SEPIC 转换器集成了 FET，并可获得 90% 以上的效率。TPS5100 是一款三输出控制器，专门设计用于电源显示。PA 及 CPU 电源轨上的动态电压估量功能通过提高每个组件的效率，有助于降低功耗。
　　如何取舍离散解决方案与集成解决方案
　　如何在离散解决方案与集成解决方案之间进行选择呢？通常，集成 IC 比多个额定值相等的分立 IC 更便宜。此外，如下图 6 中的 PCB 布局图所示，TPS65010 及相应的无源元件所占的板级空间比具有相同功能的分立 IC 所占用的空间更小。这在很大程度上是由于跟踪分立 IC 之间的路由需要额外的空间。由于 TPS65010 包括附加功能，如电源电平序列、振动器及 LED 驱动器（不然的话，这些功能要通过分立 IC 来实施），因此集成解决方案可节约更大的 PCB 空间。
　　过去，集成 IC 的专用程度非常高，并且灵活性不高。因此，在设计周期的后期，不能对其进行重大的设计变更。但是，新型制造工艺技术（包括用于对输出电压轨进行编程的集成 EEPROM 以及后封装微调）使得现有 IC（如具有不同固定输出电压的 IC）的“精细”简单修改变得更为轻松、快速，并且成本更为低廉。另一方面，备用电源往往不可用于集成 IC 的事实可能会迫使使用离散解决方案。
　　未来面临的挑战
　　消费者希望能够延长智能电话的工作时间。最新开发的 IC 加工工艺具有更低的漏电流及更小的电阻（有时通过铜叠加），分别转化为具有更低静态电流及更小阻抗的 FET。它们最终均可使电源 IC 的效率更高。例如，具有集成FET的 TPS6222x 400 mA 降压转换器采用 SOT-23封装，最高可提供近 93% 的效率。但是，与不断发展的半导体技术不同的是，在电池技术方面仍未出现不增大电池尺寸即可延长其使用寿命的重大进展。在电容器发展过程中所取得的某些进展，使得可充电电池与电容器之间的区别越来越小。当换电池时，普遍采用高能量超级电容器来为便携设备供电。此外，高能量、高功率超级电容器还可提供瞬时强电流，因而可通过其提供突发能量进行电池防护，以延长电池使用寿命。这些超级电容采用点滴式充电方式，不会产生噪声，并且可集成到电池包中。有关燃料电池的介绍有很多，但目前安瓿 (ampoule) 尚未标准化。由于缺乏标准，因而无法对其进行广泛分销，也就很难全面实现商品化。此外，燃料电池的输出瞬态响应能力也较差。至少在一开始，推出的燃料电池只是作为补充件而非替代品。
　　此外，消费者还希望封装器件的体积更小但功能更强。创新型电源管理 IC 设计以及封装与工艺技术改进有助于实现该目标。紧缩技术节点可以生产出体积更小的 FET，从而减小整个芯片及封装大小、降低工作电压、降低门电容，进而提高交换速度。对于基于电感器的交换电源来说，交换速度越快，电感器的体积就越小。新型封装技术能够以更小的外形提供更强的功能以及更低的功耗。例如，具有集成 FET 通用元件的 bq24010 锂离子线性充电器采用3X3 mm2 QFN 封装，在温度适中的环境下可提供低至 1.5 W 的功耗。

　　但是，在较低的工作电压范围内改进功能通常会对电源管理结构以及低噪声布局提出更严格的容差要求。例如，如果 1.2V 电源的容差为 +/-3%，则要求输出的变化范围不得超过 +/-36mv；而如果 3.3 V 的容差为 +/-3%，则允许的变化范围为 +/-99mV。因此，在今后几年内，对 DC/DC 转换器尽可能以更小的外形提供更严格的容差、更高的电流、更高的效率以及极低的 EMI 的要求将日益增长。此外，随着体积的减小，进而导致散热面减小，这些高功耗 IC 的热管理所面临的挑战也越来越严峻。
　　集成电源
　　目前，电源解决方案采用集成度不同的电源 IC。将部分或全部模拟电源 IC 与数字组件（如基带处理器）集成在一起的优势包括：大大节约了 PCB 空间，降低了总体成本。过去，要实现更高一级的数字与模拟组件集成的障碍之一就是，复杂电子仪器每个部分的要求各不相同。数字基带部分要求高密度的工艺技术来进行数字信号处理，而模拟基带与电源部分则需要更高电压的器件。射频部分尤其是 PLL，则要求 BiC MOS 器件为高频率运行进行了专门优化。过去，数字设计人员忽略了工艺发展，并且一味致力于高密度工艺，因此需要高电压器件的电路只能采用其它工艺，即单独的数字 IC。最近，半导体制造商不仅致力于开发单一 BiCMOS 工艺，以缩小最短门长，从而提高密度与速度，而且为模拟与电源应用推出扩展的高电压器件。最后，包括电源管理在内的许多数字与模拟功能都将集成在同一芯片上。