智能手機(jī)電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自龐大笨重的“手提”電話或受限于車載蓄電池的電話問(wèn)世以來(lái)，蜂窩電話技術(shù)經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。如今的電話不僅外形纖巧，而且功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了撥打電話。新型 3.xG 智能電話將傳統(tǒng)的 2G 蜂窩電話與類似于 PDA 的功能以及數(shù)碼相機(jī) (DSC)、音樂(lè)播放器 (MP3) 及全球定位系統(tǒng) (GPS) 結(jié)合在一起。要提供如此豐富多樣的功能，就需要無(wú)數(shù)的元器件，而其中大部分元器件都具有不同的電壓與不斷增大的電流，因此這對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高的要求。圖 1 顯示了從 2G 語(yǔ)音呼叫到 3G 視頻呼叫預(yù)計(jì)需要提高的功率量。

　　同時(shí)，消費(fèi)者需要更小巧的電話。本文介紹了兩種可選電源管理系統(tǒng)，以幫助智能電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員滿足如下競(jìng)爭(zhēng)性目標(biāo) ：最小型封裝和增大的電源需求、提供最佳功效以最大限度延長(zhǎng)電池使用壽命，以及最新一代手機(jī)的容許電源噪聲／紋波等。
　　電池的選擇
　　在設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)，首要任務(wù)是選擇可充電電池。目前只有兩種選擇，分別是 NiMH 電池及鋰離子電池。鋰離子電池的體積與重量能量密度（270~300 Wh/l 與 110~130 Wh/kg）通常高于 NiMH 電池（220~300 Wh/l 與 75~100 Wh/kg）。因此，對(duì)于相同的能量來(lái)說(shuō)，鋰離子電池比相應(yīng)的 NiMH 電池的體積更小、重量更輕。此外，鋰離子電池的工作電壓 (3.6V) 要高于 NiMH 的工作電壓 (1.2V)。大多數(shù)手機(jī)的電源均使用 1.2V 及 3.3V 。要最大限度地提高開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率，通常從高電平降壓至低電平要比從低電平升壓至高電平的效率高。因此，鋰離子電池是最佳的選擇。
　　正確管理與控制可充電電池對(duì)最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電池管理包括三個(gè)組成部分：電荷控制、電池監(jiān)控與電池保護(hù)。電荷控制 IC 從具有外部元件的線性控制器到具有集成開(kāi)關(guān)、更高效、基于開(kāi)關(guān)的控制器，經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。電池充電器必須處理的電流范圍為 500mA 至 1500 mA，以提供更短的充電周期。電池本身通常自帶電池監(jiān)控與保護(hù) IC。電池監(jiān)控 IC 像“庫(kù)侖計(jì)數(shù)器”那么簡(jiǎn)單，CPU 必須通過(guò)該 IC 來(lái)計(jì)算所剩的電池使用壽命，以便對(duì)集成微處理器進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)，該微處理器可通過(guò)簡(jiǎn)單的通信接口直接向 DSP/CPU 提供剩余電量、可使用時(shí)間、電壓、溫度以及平均電流測(cè)量值。
　　電源拓?fù)?/STRONG>
　　接下來(lái)，設(shè)計(jì)人員必須確定電源 IC 的類型，不管它是基于電感器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器（具有集成 FET）、無(wú)電感器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器（或充電泵），還是線性穩(wěn)壓器。每種類型都有各自的優(yōu)勢(shì)。從效率方面來(lái)看，基于電感器的開(kāi)關(guān)整體效率最高，其次是充電泵，最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常與效率成反比，線性穩(wěn)壓器的成本最低廉，其次是充電泵，最后是基于電感器的開(kāi)關(guān)。線性穩(wěn)壓器沒(méi)有輸出紋波，而充電泵有一些輸出紋波，開(kāi)關(guān)則是這三者中輸出紋波最高的一個(gè)。從解決方案的總體大小來(lái)看，線性穩(wěn)壓器的體積最小，通常只需要一個(gè)輸入與輸出電容器；除了輸入與輸出電容器之外，充電泵另外還需要一個(gè)或兩個(gè)“快速”電容器 (flying capacitor) ；開(kāi)關(guān)需要一個(gè)電感器，其封裝大小各不相同。

　　2G 電話的集成度較低，其集成器件可能是數(shù)字器件（如 DSP 與 ADC），也可能是模擬組件（如電源管理系統(tǒng)）。在設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常會(huì)先考慮成本及大小，然后再考慮其效率。由于線性穩(wěn)壓器只能對(duì)其輸入電壓進(jìn)行降壓，所以只有當(dāng)電壓降至 3.3V 時(shí)才能使用該電池。使用中低電流的線性穩(wěn)壓器可以將電池電壓降至 3.0V 至 2.8V 范圍內(nèi)的剩余電源電壓。在 3.xG 電話芯片組中，目前的基帶處理器包括 DSP、微處理器／控制器、用于控制射頻的 ADC 與 DAC 以及音頻信號(hào)處理。該處理器的內(nèi)核電壓將降至 1.2V 或 1.2V 以下，而 I/O 與外設(shè)電壓則開(kāi)始降至 2.5V 到 3.0V 之間。由于 3.xG 電話電源電平的電流需求通常大于2G電話，因此 3.xG 設(shè)計(jì)人員需要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。
　　要進(jìn)一步延長(zhǎng)電池使用壽命，許多設(shè)計(jì)人員都需要考慮在終端電壓降至 2.7V 時(shí)使用鋰離子電池。為此，他們面臨著生成 3.3V電壓的挑戰(zhàn)。如果設(shè)計(jì)人員將電池電壓降至 2.7V，并使用正降壓－升壓或 SEPIC 轉(zhuǎn)換器來(lái)提供 3.3V電壓，則便攜設(shè)備將會(huì)有更長(zhǎng)的電池使用壽命，這似乎有一定的道理。但是，如果對(duì)表 1 中的 600 mAh 電池進(jìn)行簡(jiǎn)單分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)情況并非如此（表 1）。如果充分利用 SEPIC型轉(zhuǎn)換器的電池電量，而不是將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V，并使用最高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，則所節(jié)約的電池電量非常有限。
　　此外，如果考慮到雙電感器 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的成本較高，或 考慮到某些新型、更高效率的正降壓－升壓轉(zhuǎn)換器，則將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V 并使用高效率開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提供 3.3V 也不失為一種有效的方法，甚至可能是一種更誘人的選擇。因此，下面介紹的離散解決方案使用了降壓轉(zhuǎn)換器，而集成解決方案則使用SEPIC 轉(zhuǎn)換器來(lái)提供 3.3V 。
　　系統(tǒng)概述
　　智能電話中對(duì)不同組件的電源要求不同。圖 2 中顯示了蜂窩電話中主要組件電源需求的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。例如，射頻部分的 VCO 與 PLL 要求電源電平具有極低的噪聲與極高的電源抑制，以確保提供最高的收發(fā)性能。因此，盡管線性穩(wěn)壓器的效率非常低，但由于它沒(méi)有輸出紋波，因而對(duì)于該電平來(lái)說(shuō)是最佳的選擇。此外，它對(duì)在 IF 頻帶外保持 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的交換頻率以及其第 2 個(gè)與第 3 個(gè)諧波來(lái)說(shuō)非常重要。由于 DSP/CPU 內(nèi)核電壓已降至大約 1V 左右，因此基于電感器的高效率開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器也是合適的選擇。提供屏幕背光的白色 LED 可通過(guò)充電泵或基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。

　　動(dòng)態(tài)電壓估量
　　圖1顯示了功率需求最大的兩個(gè)組件，一個(gè)是射頻部分，其主要是發(fā)送器的功率放大器 (PA)，另一個(gè)是基帶處理器。根據(jù)電話距離基站的遠(yuǎn)近程度，一次呼叫 PA 可消耗高達(dá) 75% 的總電量，而在待機(jī)模式下僅消耗 30%。通常，帶有非線性 PA 的舊式 GSM 電話發(fā)送器的效率大約為 50%。但是，像 WCDMA 這樣的最新標(biāo)準(zhǔn)則要求幅度與相位同時(shí)調(diào)制，而這只能通過(guò)工作效率在 25% 至 35% 之間的線性 PA 來(lái)提供。此外，CDMA2000 1x 電話的正?；鶐幚砥髫?fù)載要求均在 60 至 120 mA 之間。因此，為 PA 及處理器提供最大功效是至關(guān)重要的。

　　與大規(guī)模集成 IC 中所采用的技術(shù)類似，動(dòng)態(tài)／自適應(yīng)電壓估量 (DVS/AVS)在閉環(huán)系統(tǒng)中將處理器與穩(wěn)壓器鏈接在一起，該系統(tǒng)可對(duì)數(shù)字電源電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到執(zhí)行相應(yīng)操作所需的最低電平。PA 經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化，可在最大的發(fā)送功率下提供最高的效率。由于大多數(shù)手機(jī)在使用時(shí)都距基站較近，因此手機(jī)無(wú)線電可將發(fā)送功率降至維持高質(zhì)量通信所需的最低水平。電源級(jí)別降低時(shí)，PA 效率也會(huì)相應(yīng)降低。從圖 3 中可以看出，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)電壓估量并調(diào)節(jié)功率放大器的電壓，可以將效率提高10% 到 20%。
　　由于數(shù)字處理器的功耗與電壓的平方成正比，因此動(dòng)態(tài)電壓估量也可用于CPU。如果 CPU 在待機(jī)或某些其它功能減少的模式下能夠以較低的頻率繼續(xù)操作，則可降低其電壓，以降低功耗、提高效率并延長(zhǎng)電池使用壽命。例如，假設(shè)OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 鋰離子電池輸入的 TPS62200 來(lái)進(jìn)行供電，其特性如下：
　　無(wú) 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%
　　假設(shè)用法配置為 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠，可以將輸出電源與時(shí)