配合智能手機等應用要求及技術(shù)趨勢的半導體電源管理方案

　　近年來，手機等便攜設備市場持續(xù)快速發(fā)展。據(jù)預計，手機出貨量將從2011年的14億部增長至2014年的18億部；其中又以智能手機市場耀眼，受大量低成本Android手機上市推動，同期智能手機出貨量將從4億部增長至6.8億部，而且智能手機的半導體元件含量遠高于功能型或入門型手機。與此同時，領先制造商更加重視用戶使用體驗，其舉措之一是在產(chǎn)品設計中選擇能夠更好配合智能手機等便攜設備應用要求及技術(shù)趨勢的產(chǎn)品及方案。

　　安森美半導體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應商，針對便攜應用提供豐富的解決方案。本文將重點探討安森美半導體的高性能、高能效方案如何配合智能手機等便攜應用的要求及技術(shù)趨勢，幫助設計工程師選擇適合的元器件方案。

　　高集成度PMIC簡化設計，加快產(chǎn)品上市進程

　　眾所周知，便攜設備集成的功能越來越多，從拍照到音視頻播放、游戲乃至位置服務等，不一而足。而隨著3G乃至4G網(wǎng)絡基礎設施的就緒，用戶越來越習慣于透過智能手機等便攜設備來以無線方式訪問豐富的數(shù)據(jù)及多媒體內(nèi)容，需要便攜設備嵌入更多更強大的射頻(RF)模塊。相應的代價是功率消耗越來越高，而電池容量及技術(shù)方面的進展仍然緩慢，便攜設備設計人員必須適應這種結(jié)合許多功能的高集成度趨勢，提供足夠長的電池使用時間，同時配合消費者對纖薄外形的需求。

　　為了應對這些挑戰(zhàn)，便攜設備設計人員的一項可行策略就是在選擇集成多種功能的主芯片組，同時選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)，幫助簡化設計，使控制電源所需的資源減至最少，并將外形因數(shù)保持在可控范圍之內(nèi)。

　　圖1：安森美半導體提供的mini-PMIC功能示意圖。

　　安森美半導體提供一系列的微型電源管理IC(mini-PMIC)，其功能示意圖參見圖1。這些微型電源管理IC集成多個DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)線性轉(zhuǎn)換器，同時還可能集成其它多種控制或保護功能等，如總線控制、排序器、功率良好(PG)監(jiān)控、啟用(Enable)、帶隙參考、振蕩器、欠壓鎖定及熱關(guān)閉等保護功能或動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)等。安森美半導體的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP6914、NCP6924及NCP69xy等(功率及功能遞增)。

　　以NCP6922為例，這款mini-PMIC提供4路從0.6 V到3.3 V輸出的電壓軌(2路DC-DC加2路LDO)，同時集成了內(nèi)核、上電排序器、熱保護及時鐘等多種功能(詳見圖2)，采用2.05 mm x 2.05 mm CSP封裝，不僅減小方案尺寸，還藉I2C控制提供設計靈活性，適用于要求多種穩(wěn)壓輸出、使用數(shù)字信號處理器(DSP)和/或微處理器的電池供電便攜設備。這器件支持2.3 V至5.5 V輸入電壓范圍，配合最新電池技術(shù)；還支持高達3 MHz的DC-DC工作頻率，可以減小輸出電感及電容的尺寸；靜態(tài)電流消耗低至64 μA，幫助延長電池使用時間；還支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)，提升系統(tǒng)能效。

　　圖2：安森美半導體的NCP6922 mini-PMIC集成2路DC-DC、2路LDO及其它多種功能。

　　值得一提的是，安森美半導體的這系列mini-PMIC可以提供定制的上電排序功能，以適應不同平臺應用需求。這系列IC中集成的LDO可以采用DC-DC輸出供電，進一步提升能效。其它優(yōu)勢包括以I2C控制提供設計靈活性、支持低至2.3 V的電壓以配合新電池技術(shù)、提供間距低至0.4 mm的QFN及CSP封裝等。安森美半導體還提供豐富的知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫及模塊化途徑，幫助客戶應對高集成度趨勢，以及加快產(chǎn)品上市進程。

　　降壓或升壓DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器配合應用處理器供電或HDMI端口供電

　　雖然高集成度PMIC的應用日益增多，但在便攜產(chǎn)品中，不是所有電源域都需要使用高集成度PMIC。而隨著便攜產(chǎn)品功能不斷增多，集成度相對較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也增加了，以此配合增加新功能。

　　例如，對于便攜產(chǎn)品而言，為了給高耗電的應用處理器供電，設計人員可能需要使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。安森美半導體推出了集成度相對較低的系列DC-DC開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器IC，如NCP6334B/C、NCP6338、NCP636x模塊等。這些IC都接受2.3 V至5.5 V輸入電壓，配合最新電池技術(shù)。以NCP6334B/C為例，這是一款2 A、3 MHz DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，集成了功率良好(PG)及工作模式選擇(PWM模式或PFM/PWM自動模式)功能，是一款節(jié)省成本及空間的方案，非常適合于為要求以低電壓提供大功率的新型微處理器供電。NCP6338功能與NCP6334類似，但可提供高達6 A輸出電流，配合最新處理器需求。NCP636x模塊則是0.8 A、6 MHz DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器模塊，高達6 MHz的開關(guān)頻率便于采用更小尺寸的外部元器件，使總方案尺寸小于5 mm2(最大高度1 mm)，尤其適合容限極有限的便攜應用。

　　圖3：適合HDMI端口供電的CAT3200HU2低噪聲電源IC。

　　值得一提的是，如今許多智能手機都配備HDMI接口，方便用戶傳輸視頻數(shù)據(jù)。這些HDMI接口采用+5 V電壓供電，高于便攜產(chǎn)品中常用的鋰離子電池的供電電壓，這時候就需要DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。有利的是，安森美半導體推出了針對HDMI端口供電應用的低噪聲電荷泵DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器CAT3200HU2，這器件接受2.7 V至4.5 V輸入，提供5 V/100 mA(及可調(diào)節(jié)輸出)，采用UDFN-8封裝，適合于3 V至5 V的升壓轉(zhuǎn)換(也適合2.5 V至3.3 V升壓轉(zhuǎn)換)，典型應用包括HDMI及DisplayPort端口供電等。圖3顯示的是典型應用電路。

　　低電流、低噪聲LDO配合延長電池使用時間及減小尺寸

　　如前所述，盡管高集成度PMIC在智能手機便攜產(chǎn)品中應用增多，但獨立的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器或LDO仍有充足應用空間，如需要LDO來配合便攜設備將電池使用時間延至最長并將尺寸減至最小，特別是那些射頻(RF)及噪聲敏感型功能仍然需要使用低噪聲的LDO。以手機為例，LDO的典型應用包括音頻插孔、相機模塊、顯示屏模塊、GPS模塊、接口、LCD/觸摸屏控制、麥克風、GSM/WCDMA 射頻子電路板、藍牙模塊及USB端口等。

　　安森美半導體提供適合便攜應用的寬廣陣容LDO，其中包括NCP45xx及NCP46xx系列，如NCP4586(100 mA)、NCP4587/89(150/300 mA)、NCP4588(200 mA)、NCP4681/4(150 mA)、NCP4682/5(150 mA)、NCP4680(100 mA)及NCP4683(300 mA)等。此外，CAT62xx系列的多款LDO也非常適合便攜應用，包括確保提供500 mA輸出電流的CAT6219、提供兩路300 mA峰值輸出電流的CAT6221、空載接地電流僅為典型值10 μA的CAT6220、提供1 A峰值電流的CAT6243及超低工作電流的CAT6289等。

　　圖4：CAT6289超低工作電流NanoPower LDO框圖及典型應用電路圖。

　　以CAT6289為例，這是一款超低工作電流(典型值400 nA)的NanoPower LDO，輸入電壓范圍為1.8 V至5.5 V，提供8種標準電壓輸出，包括1.00、1.20、1.25、1.50、1.80、2.50、3.00及3.30 V，10 mA電流時的典型壓降為380 mV，1 kHz時的典型電源抑制比(PSRR)為-60 dB。這器件采用小型1.5 mm x 1.5 mm TDFN-6封裝，能夠幫助便攜設備延長電池使用時間，并配合小外形因數(shù)設計。

　　配合便攜設備不同充電應用OVP及OCP保護方案

　　智能手機等采用鋰離子電池供電的便攜設備在日常充電/供電應用中，可能面臨正向/負向過壓、過流等風險，故需要安全的保護方案。安森美半導體的便攜設備OVP保護方案主要包括針對墻式適配器/USB充電的30 V/高達3 A系列產(chǎn)品(包括NCP347/348、NCP349、NCP367、NCP370、NCP372及NCP391等)，以及針對USB充電的20 V/500 mA系列產(chǎn)品(包括NCP360、NCP361、NCP362及NCP373等)；OCP保護方案包括NCP380、NCP381及NCP382等。

　　以NCP367為例，這是一款提供+30 V過壓保護及高達3 A過流保護、帶電池電壓檢測功能的保護IC(見圖5)。這器件保護便攜設備電池免受輸入過壓(在出現(xiàn)故障工作條件下會斷開系統(tǒng)與Vbus或AC-DC適配器的連接)、充電過流及充電過壓影響。NCP367提供最大值100 mΩ的低導通阻抗，幫助降低方案成本及電路板占用空間。支持高達3 A電流的能力幫助實現(xiàn)快速充電。典型值50 μA的極低電流消耗兼容于USB 500 μA閑置模式。這器件能用于1.5 A或500 mA兩種充電電流等級，非常適合手機等應用。

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