關(guān)于智能型手機(jī)電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　圖四利用離散組件實(shí)作的電源管理系統(tǒng)

　　在這個(gè)解決方案中,就算鋰離子電池下降至3.3V 左右,在100％負(fù)載周期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉(zhuǎn)換器仍能提供3.3V 的I/O電壓。上述所有零件都采用SOT-23 封裝,除了bq24020 電池充電組件、TPS61020 升壓轉(zhuǎn)換器以及TPS61042 白光二極管驅(qū)動(dòng)組件之外,它們是采用3×3 平方厘米的QFN 封裝。TPS61040 和TPS61042 還內(nèi)建上端FET 晶體管,每顆組件只需要一個(gè)外接二極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 和線性穩(wěn)壓器組件全都內(nèi)建FET 晶體管,功率放大器和中央處理器電源采用的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以提高每顆零件的效率,進(jìn)而協(xié)助降低功耗。

　　整合解決方案

　　最新制程技術(shù)使得工程師更容易結(jié)合、迅速修改以及／或是利用現(xiàn)有的離散組件設(shè)計(jì),以便提供不同整合程度的半導(dǎo)體芯片,例如通用的雙通道交換式轉(zhuǎn)換器和電源拒斥比很高而噪聲很低的雙信道線性穩(wěn)壓器、特殊應(yīng)用白光二極管的電源供應(yīng)以及行動(dòng)電話、PDA 和數(shù)字相機(jī)的多電源管理解決方案,這些產(chǎn)品都已開(kāi)始供應(yīng)。專(zhuān)門(mén)支持終端設(shè)備的電源組件則會(huì)內(nèi)建各種外圍,其范圍從行動(dòng)電話的響鈴器和蜂鳴器到PDA 的通用I/O 接腳,例如圖四整合解決方案所使用的TPS65010 就是這類(lèi)組件。

　圖五整合式解決方案

　　在此解決方案中,3.3V I/O 電源是由SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供,它讓?xiě)?yīng)用系統(tǒng)能充份利用鋰離子電池電力,直到電池電壓降至最低水平（大約2.7V）。和離散解決方案一樣,穩(wěn)壓器輸出也來(lái)自3.3V 輸入電源,以便提高工作效率。TPS65010 采用48 只接腳QFN 封裝,這些組件都內(nèi)建FET 晶體管。TPS61130 SEPIC 轉(zhuǎn)換器采用4×4 平方厘米QFN 封裝,并且內(nèi)建FET 晶體管,最高達(dá)到90％以上效率,TPS5100 則是三通道輸出控制器,專(zhuān)門(mén)用來(lái)提供電源給顯示器。功率放大器和中央處理器電源使用的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以改善每顆零件的效率,進(jìn)而協(xié)助降低功耗。

　　離散或整合？

　　如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇？一般說(shuō)來(lái),整合組件的成本會(huì)低于同樣等級(jí)的多顆離散零件;除此之外,如同(圖六)的電路板布局所示,相較于執(zhí)行同樣功能的多顆離散零件,TPS65010 以及與其搭配的被動(dòng)零件只需較少的電路板空間,這主要是因?yàn)殡x散零件之間需要額外空間來(lái)容納訊號(hào)線路。由于TPS65010 還包含原來(lái)由離散零件提供的其它功能,例如電源供應(yīng)順序、振動(dòng)器和二極管驅(qū)動(dòng)組件,因此整合解決方案可以節(jié)省更多電路板面積。

　圖六TPS65010 與同等級(jí)離散解決方案的電路板布比較

　　整合組件過(guò)去主要支持特殊應(yīng)用,彈性也不是很高,因此在設(shè)計(jì)流程后期,它們就無(wú)法再進(jìn)行重大的設(shè)計(jì)變更。然而新的制程技術(shù),包括支持可程序輸出電壓以及封裝后調(diào)整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡(jiǎn)單快速的對(duì)現(xiàn)有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重復(fù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。另一方面,整合組件的供貨商通常只有一家,這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。

　　未來(lái)挑戰(zhàn)

　　消費(fèi)者想要操作時(shí)間更長(zhǎng)的智能型手機(jī),新發(fā)展的半導(dǎo)體制程技術(shù)已能減少泄漏電流和阻抗（有時(shí)透過(guò)銅覆蓋層）,使得FET 晶體管的靜態(tài)電流更低,導(dǎo)通阻抗也變得更小。然而不同于持續(xù)進(jìn)步中的半導(dǎo)體技術(shù),電池技術(shù)卻沒(méi)有任何重大進(jìn)展,無(wú)法在不增加電池體積的情形下延長(zhǎng)供電時(shí)間。

　　電容器技術(shù)的某些進(jìn)展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊,許多可攜式產(chǎn)品已開(kāi)始使用高能量超級(jí)電容器（super capacitor）,做為消費(fèi)者更換電池時(shí)的暫時(shí)電力來(lái)源;另外,高能量暨高功率的超高電容器（ultra capacitor）還能在短時(shí)間內(nèi)提供很大電流,讓電池不必瞬間供應(yīng)龐大電力,可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。這些超高電容器會(huì)整合至電池封裝內(nèi),并在系統(tǒng)電力需求不太高時(shí),利用微小電流充電。燃料電池近來(lái)是熱門(mén)話題,但由于外形包裝尚未標(biāo)準(zhǔn)化,使得燃料電池的廣泛應(yīng)用受到影響,商業(yè)化過(guò)程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時(shí)響應(yīng)也很糟糕,因此至少在最初階段,燃料電池只會(huì)做為普通電池的補(bǔ)強(qiáng)裝置,無(wú)法完全取代普通電池。

　　消費(fèi)者還希望產(chǎn)品的體積更小,功能更加強(qiáng)大,創(chuàng)新的電源管理組件設(shè)計(jì)以及封裝和制程技術(shù)的進(jìn)步都能幫助實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。日益精密的制程技術(shù)可以制造出越來(lái)越小的FET 晶體管,讓晶粒和封裝的體積更小,工作電壓更低,閘極電容更少,使得晶體管的開(kāi)關(guān)速度更快

　　—對(duì)于以電感為基礎(chǔ)的交換式電源供應(yīng),更快的開(kāi)關(guān)速度意味著更小的電感。新封裝技術(shù)則能在更小的封裝中容納更多功能,并且承受更大的功耗,例如內(nèi)建FET 開(kāi)關(guān)的鋰離子電池線性充電組件bq24010 就采用3×3 平方厘米的QFN 封裝,它在普通室溫環(huán)境下,最高能承受1.5W 功耗。

　　要在較低的工作電壓下提供更強(qiáng)大功能,電源管理單元和低噪聲布局的容忍要求通常也會(huì)變的更嚴(yán)格,例如系統(tǒng)若要求1.2V 電源的誤差小于±3%,就表示輸出電壓變動(dòng)幅度不能超過(guò)±36mV;相形之下,使用3.3V 電源就表示在同樣的±3%誤差限制下,它能容忍的電壓變動(dòng)高達(dá)±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)于誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉(zhuǎn)換器的需求將會(huì)增加。除此之外,隨著封裝縮小,可供散熱的面積也會(huì)減少,讓這些高功耗組件的熱管理繼續(xù)成為困難挑戰(zhàn)。

　　整合的力量

　　本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源組件。把部份或全部的模擬電源組件和基頻處理器等數(shù)字零件整合在一起會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn),包括節(jié)省更多的電路板面積,并且降低總成本。復(fù)雜電子系統(tǒng)的每個(gè)部份都有著不同的需求,這是過(guò)去實(shí)現(xiàn)更高階數(shù)字和模擬零件整合的障礙之一,例如數(shù)字基頻單元需要高密度制程以支持?jǐn)?shù)字訊號(hào)處理,模擬基頻和電源功能需要電壓更高的組件;射頻單元,特別是鎖相回路,則需要最適合支持高頻操作的BiCMOS 組件。傳統(tǒng)上,制程發(fā)展是由數(shù)字設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)管理,他們通常只會(huì)推動(dòng)高密度制程發(fā)展,電路若需要高電壓組件,就必須采用不同制程,這表示他們需要獨(dú)立的數(shù)字組件。半導(dǎo)體廠商不但開(kāi)始發(fā)展「最小閘極長(zhǎng)度」更短的BiCMOS 制程,以便提供很高的組件密度和工作速度,還有更高電壓的汲極延伸型組件（drain extended devices）,它們已用于更多的模擬和電源應(yīng)用。包括電源管理在內(nèi)的許多模擬和數(shù)字功能最后都會(huì)整合成單顆芯片。

　　結(jié)論

　　不同程度的組件整合正在簡(jiǎn)化可攜式電源設(shè)計(jì),尤其是可攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,他們不必再擔(dān)心組件的電源需求管理,整合程度不同的電源管理組件可以幫助他們讓電池提供最長(zhǎng)供電時(shí)間,同時(shí)將電路板面積和成本減至最少。