智能電話電源管理系統(tǒng)的重要設計技術

2004年8月A版

　　新的3.xG智能電話將傳統(tǒng)的2G蜂窩式電話功能與PDA的功能特色結合起來，并包容了數碼相機、音樂播放器(MP3)以及全球定位系統(tǒng)。種類如此之多的功能，離不開為數眾多的元器件。它們中的大多數有著不同的電源電壓要求，而且消耗的電流越來越多，要求更大的功耗。

　　同時，消費者希望電話越來越小。本文將給出兩種電源管理系統(tǒng)，它們將有助于系統(tǒng)設計者在最新一代蜂窩式電話的相互矛盾的目標間尋求恰當的平衡——功耗要求不斷上升；外形應盡可能地??；效率要最優(yōu)化以延長電池工作時間；電源軌噪聲/紋波要保持在可接受的范圍之內。圖1示出從2G話音電話發(fā)展到3G視頻電話時對功耗需求的增加幅度的估計。

電池的選擇

　　設計一個電源管理系統(tǒng)的首要任務之一，是選擇一個可重新充電的電池。目前，唯一的兩種現(xiàn)實的選擇是NiMH和鋰離子電池。鋰離子電池的能量密度單位體積和重量(典型值為270~300 Wh/l和110~130 Wh/kg)一般高于NiMH(220~300 Wh/l和75~100 Wh/kg)。因此，如果儲能相同，鋰離子電池尺寸將更小，而重量也小于同級的NiMH電池。此外，鋰離子電池的3.6V工作電壓亦高于NiMH的1.2V。

　　蜂窩電話的大部分功率消耗在1.2V和3.3V電壓軌上。在提高開關變換器的效率方面，從一個較高的電壓降壓、獲得較低的電壓，相應的效率要高于從較低的電壓軌變換為高壓的情況。因而鋰離子電池是最佳的選擇。

電池的管理

　　可充電電池的管理對于延長電池壽命來說極為關鍵。電池管理包括3個部分：充電管理、電池監(jiān)測和電池保護。充電管理IC已經獲得了巨大的發(fā)展，從帶外部無源元件的線性控制器進化為更有效的、基于開關模式、集成了開關的控制器。電池充電器必須承受500mA~1500mA范圍內的電流，以實現(xiàn)快速的再充電。電池監(jiān)測和保護IC一般與電池封裝在一起。電池監(jiān)測IC可以簡單到采用“庫侖計數器”的形式(在這種情況下，必須由CPU來計算余下的電池壽命)，也可以采取帶集成微控制器的電量計的形式，它可以提供剩余容量、距電力耗盡剩余的時間、電壓、溫度和平均電流等方面的測量信息，并通過一個簡單的通信接口與DSP/CPU實現(xiàn)直接的通信。

電源的結構

　　設計者必須確定功率IC的種類—帶集成FET、基于電感的開關式變換器、無電感的開關式變換器(或者電荷泵)亦或線性的穩(wěn)壓器。

　　就效率而言，基于電感的開關式器件具有最高的總體效率，接下來分別是電荷泵和線性穩(wěn)壓器。成本通常與效率成反比，線性調壓器是最便宜的，電荷泵其次，而基于電感的開關電源最貴。線性穩(wěn)壓器沒有輸出紋波，而電荷泵存在一定的輸出紋波，開關器件的輸出紋波則是三者中最高的。就解決方案的總尺寸而言，線性穩(wěn)壓器是最小的，一般只需一個輸入和一個輸出電容。電荷泵除了輸入和輸出電容外，還需要附加一個或兩個“飛線”電容。開關電容則需要一個電感，其大小與封裝尺寸有關。

　　在2G電話中，數字器件(如DSP和ADC)或模擬器件(如功率管理系統(tǒng))的集成化程度很低。設計電源管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)的設計者一般優(yōu)先考慮成本和尺寸，然后才是效率。由于線性穩(wěn)壓器只能降低其輸入電壓，故電池在其電壓跌落到3.3V以后就不能工作了。過去，一般選用低到中等電流的線性穩(wěn)壓器來將電池的電壓變換為2.8V~3.0V范圍內的電源軌。

　　在3.xG電話芯片組中，基帶處理器如今包括一個DSP、一個微處理器/控制器、控制RF的ADC和DAC，以及音頻信號處理電路。處理器的核心電壓降到了1.2V，甚至更低，而I/O和外設的電壓則降到了2.5V~3.0V的范圍之內。由于3.x G電話電源軌的電流要求一般高于2G電話，故3.xG 設計者需要效率超出線性穩(wěn)壓器的DC/DC轉換器，以保證更長的電池壽命。

　　為了進一步延長電池的壽命，很多設計者需要讓鋰離子電池電壓降到2.7V最終電壓。在這種實現(xiàn)方案中，一個3.3V的軌電壓的產生是一大挑戰(zhàn)。如果設計者將電池的可用范圍擴展到2.7V，而采用正向降壓－升壓或者SEPIC變換器來提供所需的3.3V電壓軌，那么，似乎很有可能會大大延長電池的工作時間。但對一個600mAh電池的分析(見表1)卻表明，這并不成立。利用SEPIC型變換器來充分挖掘電池的容量，而不是在3.3V處停止電池的使用并采用效率更高的升壓變換器，那么，即使能延長一點電池的使用時間，延長的量也很短。

　　此外，考慮到雙電感SEPIC變換器的成本將會更高，采用高效率的開關式降壓變換器提供3.3V的電壓軌，也是一種有效的、可能更有吸引力的選擇。因此，下面給出的分立的解決方案將采用降壓變換器來提供3.3V電壓軌，而集成化的解決方案將采用SEPIC 變換器來提供3.3V電壓。

系統(tǒng)概況

　　智能電話中的不同部件有著不同的電源要求。圖2示出了蜂窩電話中主要組成部分的電源需求。例如，RF部分的VCO和PLL需要噪聲極低的電源電壓和很高的電源抑制能力，以確保最好的發(fā)射和接收性能。所以，雖然效率很低，線性穩(wěn)壓器仍是其電源的最佳選擇，因為它沒有輸出紋波。

　　讓DC/DC變換器的開關頻率及其2次和3次諧波處于IF頻帶之外也很重要。由于DSP/CPU核心電壓已經降低到了1V，高效率的基于電感的開關型降壓電源就變得有意義了。用于屏幕背光照明的LED可以通過一個電荷泵或者基于電感的降壓/升壓變換器來供電。

動態(tài)電壓調節(jié)

　　圖1表明，在功耗中所占比例最大的部分是RF(主要是發(fā)射機部分的PA，即功率放大器)和基帶部分的處理器。PA消耗的功率與電話和基站間的距離有關，所占總功率的比例可以從通話時的75％變化到待機模式時的30%。較早的采用非線性PA的GSM電話的發(fā)射機，其典型的效率約為50％。而較新的標準，如WCDMA，則同時需要幅值和相位調制，此時，只有效率為25%~35%的線性PA才能提供如此的功能。此外，通常的CDMA2000 1x電話的基帶處理器負載的要求在60~120mA范圍內。因此，設法保證PA和處理器的電源效率，就顯得極為關鍵。

　　與在大規(guī)模集成電路中所用的技術相似，動態(tài)/自適應電壓調節(jié)(DVS/AVS)可以將處理器與穩(wěn)壓器連接成一個閉合回路系統(tǒng)，它可以將數字電源的電壓調整到正常工作所需的最低水平。PA是按照在最大發(fā)射功率下保證最高的效率來優(yōu)化的。由于大多數手機是在距離基站較近的位置處工作的，故手機的無線RF部分將發(fā)射功率降低到維持通話品質所需的最低功率水平上。功率水平較低時，PA的效率變差。

　　圖3 表明，通過采用動態(tài)電壓調節(jié)和調整功率放大器的電壓，可以將效率提高10%~20%。

　　由于數字處理器消耗的功率與電壓的平方成正比，故動態(tài)電壓調節(jié)技術也可以應用于CPU。在處于待機或者某些其他功能減弱的模式時，CPU可以在更低的頻率下工作，于是電壓可以降低到相應較低的功耗水平上，從而實現(xiàn)更高的效率和更長的電池壽命。舉例來說，考慮一個由TPS62200降壓變換器驅動的、電源為3.6V/1Ahr的鋰離子電池的OMAP1510芯片，其特性如下：

深度休眠 (TPS62200 in PFM)

無DVS時: Vout=1.5V@300mA

效率= 93%

深度休眠 (TPS62200 in PFM)

帶DVS時，Vout=1.1V@250mA

效率=93%

蘇醒狀態(tài)(TPS62200 in PWM): Vout=1.5V@100mA

效率=96%

　　假如使用的模式是5％的“蘇醒”和95％的“深度休眠”，輸出功率與時間的關系表明，深度休眠狀態(tài)下DVS的采用，使電池的壽命延長了9小時。

分立的解決方案

　　圖4示出一種基于分立IC、電池電壓限為3.3V的電源管理系統(tǒng)。在本方案中，以100％占空比工作的降壓變換器使得電壓快跌落到3.3V以下的鋰離子電池也能提供3.3V的I/O軌。功率放大器和CPU電源電壓軌的動態(tài)電壓調節(jié)技術通過提高每一種元件的效率而降低了功耗。

集成化的解決方案

　　最新的工藝技術大大方便了現(xiàn)有的基于分立IC的設計的集成、快速修改和/或利用，以提供不同層次的集成化IC。例如，現(xiàn)在已經開始提供的有：通用型雙重開關變換器IC和雙重高PSRR、低噪聲線性穩(wěn)壓器，專用白光LED電源，蜂窩電話、PDA和數碼相機多軌電源管理系統(tǒng)解決方案。圖5所示的集成解決方案中，面向最終設備的電源IC帶有集成的外設。 在本解決方案中，3.3V I/O軌由一個SEPIC變換器提供，它可以讓鋰離子電池供電電壓降到最低的水平(約2.7V)。與分立式的解決方案相同的是，穩(wěn)壓器提供的電壓軌從3.3V獲得，以提高效率。PA和CPU電源軌的動態(tài)電壓調節(jié)有助于通過每一部件效率的提高來降低功耗。

分立還是集成?

　　一般說來，集成化的IC比多個額定指標相同的IC要便宜。此外，集成化的IC占用的電路板面積要少于執(zhí)行相同功能的分立IC設計。集成的IC還可以包括原來由分立IC提供的電源軌、振動和LED驅動的順序控制等一些功能。

　　過去，集成化的IC高度專用化，沒有很大的靈活性。因此，它們不能滿足設計循環(huán)的后期階段出現(xiàn)的較大改動。然而，新的制造工藝技術，包括為了輸出電壓軌編程控制和封裝后修調而集成的E2PROM，使得對現(xiàn)有IC(如固定的輸出電壓不同)的“仔細調整”變得更加容易、快速和便宜。另一方面，一個集成化的IC通常沒有第二個供應源，這也使得人們不得不采用分立的解決方案。

集成的優(yōu)勢

　　上述的電源解決方案采用了集成化程度不同的電源IC。將模擬電源IC的一部分或者全部與數字部件(像基帶處理器)集成起來，將帶來更大的PCB空間節(jié)約和總體成本的降低。過去，阻礙更高層次上的數字和模擬部件的集成因素，是復雜的電子系統(tǒng)的每一部分各不相同的要求。數字基帶部分需要高密度的處理能力以實現(xiàn)數字信號處理，而模擬基帶和電源部分需要采用電壓更高的器件。RF部分(具體說來是PLL)需要采用針對高頻工作而進行了優(yōu)化的BiCMOS器件。

　　過去，數字電路的設計者負責工藝的開發(fā)，僅僅追求高密度的工藝，故需要大電壓的器件只能在不同的工藝中實現(xiàn)，這樣便需要獨立制作數字IC。近來，半導體制造商們不但已經開發(fā)出單一化的、采用了更細柵長(以實現(xiàn)高密度和高速度)的BiCMOS工藝，而且還能實現(xiàn)承受更高電壓的、針對更多模擬和電源應用的器件。最終，很多數字和模擬功能，包括電源管理、都將集成到單塊芯片上。

未來的挑戰(zhàn)

　　如今的消費者需要功能更豐富、充電工作時間更長的智能電話。新開發(fā)的IC 制造工藝能保證更低的漏電流和更小的電阻。這就意味者FET的靜態(tài)電流和導通電阻更低，最終，這會帶來效率更高的電源IC。

　　不過，與不斷變化的半導體技術不同，電池技術還沒有進步到不增大尺寸就可以實現(xiàn)更長壽命的程度。

　　最近，電容器開發(fā)方面的進展正在讓可充電電池和電容之間的界線變得模糊起來。高能超級電容目前正用于在插拔電池時驅動便攜式裝置。高能量、大功率的超電容可以在很短時間內提供很大的電流，因此，可以用來代替電池發(fā)出能量脈沖。這些超電容在靜態(tài)下逐步完成充電，已經集成到電池組中。

　　有人也在談論燃料電池，不過，目前一次性使用的料罐還沒有標準化。此外，燃料電池的瞬態(tài)輸出響應較差。至少在初期，燃料電池只能作為一種電池的補充手段而非電池的替代品引入市場。

　　不過以更低的工作電壓實現(xiàn)更高的功能，一般也需要更多的容限要求，而且需要低噪聲電路設計。例如，在1.2V電壓軌下保證