下一代手機(jī)中的電源管理分割方案
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作者：Patrick Heyer 德州儀器
時(shí)間：2008-05-30
來源：電子工程專輯
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如圖1所示，為不同子元件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機(jī)電池組一部分的電池電量計(jì)、效率高但體積小的高頻DC/DC內(nèi)核電源、驅(qū)動(dòng)相機(jī)閃光燈白光LED的高性能DC/DC升壓驅(qū)動(dòng)器、帶OLED電源的白光LED背光驅(qū)動(dòng)器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比(PSRR)的線性穩(wěn)壓器等。在進(jìn)行大部分集成時(shí)，首先要集成消費(fèi)者喜歡的一些已有特性，而具有更高性能和效率的領(lǐng)先模擬半導(dǎo)體技術(shù)，包括經(jīng)過優(yōu)化的分立電源管理器件等，將隨付運(yùn)量的增加及功能的標(biāo)準(zhǔn)化而逐漸被越來越多地集成。
圖3：驅(qū)動(dòng)高亮度相機(jī)閃光燈LED的高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。
為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并盡量延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，必須考慮以下三個(gè)重要方面的問題。首先，電池管理必須能處理電池充電及電量測(cè)量。其次，電源轉(zhuǎn)換必須盡可能高效地將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)元件可用的功率。第三，用于分析處理器的實(shí)際電源消耗并控制多個(gè)電源的系統(tǒng)電源管理，必須對(duì)電池的使用進(jìn)行優(yōu)化。前兩個(gè)問題可通過選擇合適的電源管理器件來專門解決，而第三個(gè)問題則與主要處理軟件的開發(fā)有關(guān)。
在電池管理中，電池“電量計(jì)”正變得日益流行。傳統(tǒng)上，電池電量通常用以下方法來測(cè)量：先測(cè)量鋰離子電池的電壓，然后利用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的電量查找表，查出可用的電池電量。該方法基于特定鋰離子電池的電壓-電量查找表，但由于3G手機(jī)的電源消耗特性很復(fù)雜，并且鋰離子電池的性能隨時(shí)間、溫度及負(fù)載條件而變化，所以這種方法并不可行。為精確測(cè)量剩余的電池電量以便讓處理器更好地管理手機(jī)的電源消耗，人們采用具有“阻抗跟蹤”能力、可測(cè)量進(jìn)出電池的實(shí)際電荷的高性能庫(kù)侖計(jì)，這將使處理器可有效地運(yùn)行在電池節(jié)省模式、精確地計(jì)算出電池耗盡的時(shí)間，并在需要充電的時(shí)候向終端用戶發(fā)出警告等。圖2顯示的庫(kù)倫計(jì)被集成在電池組中，并通過I2C通信接口向主處理器發(fā)送電池參數(shù)。
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器在為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)與處理器內(nèi)核電源提供高效率的供電解決方案上扮演著越來越重要的角色。為提高數(shù)碼照像與視頻會(huì)議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。隨著傳感器的分辨率不斷提高，要拍出高質(zhì)量照片就需要更亮的光，這又將需要相機(jī)閃光燈更亮的解決方案。當(dāng)照相手機(jī)的分辨率大于100萬像素時(shí)，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高質(zhì)量照片。而目前許多手機(jī)所能提供的閃光燈亮度都比這低，其閃光燈白光LED的驅(qū)動(dòng)電流還不到100mA，這種設(shè)計(jì)實(shí)際上并不能改善照片質(zhì)量。為真正地改善照片質(zhì)量，需要用將近1A的電流驅(qū)動(dòng)高功率白光LED，而使用電荷泵是難以提供1A的電流，因?yàn)榇藭r(shí)的電池電流將達(dá)到2A，將超出系統(tǒng)為此類功能預(yù)留的任何電池功率預(yù)算。為解決電池電流過大的問題，圖3給出的高效率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，可為相機(jī)閃光燈應(yīng)用的白光LED提供高達(dá)700mA的電流。
圖4：小型封裝的高頻3MHz DC/DC轉(zhuǎn)換器。
手機(jī)中的幾個(gè)子系統(tǒng)可能還需要精確的內(nèi)核電壓。線性穩(wěn)壓器通常被認(rèn)為是一種用于電壓調(diào)整的小尺寸、低成本解決方案，但當(dāng)電流大于200mA時(shí)，由于電源損耗過高，它們將開始需要既占空間又價(jià)格昂貴的散熱片。電源損耗的產(chǎn)生是由于供電時(shí)存在較大的輸入-輸出電壓差，此電壓差與輸出電流的乘積便等于電源損耗，例如，從3.6V鋰離子電池上得到1.2V/500mA內(nèi)核電壓。當(dāng)線性穩(wěn)壓器以33%的效率進(jìn)行穩(wěn)壓，并消耗大量電池功率、產(chǎn)生大量熱量的時(shí)候，DC/DC轉(zhuǎn)換器卻能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。
采用最先進(jìn)的模擬工藝與設(shè)計(jì)技術(shù)的最新一代DC/DC轉(zhuǎn)換器具有幾個(gè)可節(jié)省空間的特性。圖4是一種可提供高達(dá)500mA內(nèi)核電流的超小型、高精度DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。因?yàn)榧闪藘蓚€(gè)開關(guān)晶體管，所以該電路僅需一個(gè)電感和兩個(gè)小電容。獨(dú)特的控制架構(gòu)可使電源對(duì)負(fù)載瞬變做出快速反應(yīng)，并保持±1(的高電壓調(diào)整精度(這正是如今高性能處理內(nèi)核所要求的)。3MHz的開關(guān)頻率可使電感大小減少至僅為1uH，從而允許使用高度小于1mm的薄型芯片電感。這種器件還提供芯片級(jí)封裝，IC尺寸可減小至2×1mm，因此整個(gè)解決方案可被構(gòu)建成安裝在5×5mm2大小的空間里。為進(jìn)一步減少電源消耗，高級(jí)DC/DC穩(wěn)壓器還具有自動(dòng)的脈沖頻率調(diào)制(PFM)/脈寬調(diào)制(PWM)模式轉(zhuǎn)換功能，以盡量提高寬負(fù)載范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率。在輕負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)換器工作于PFM模式，而當(dāng)負(fù)載電流大于50mA時(shí)，則采用PWM控制，這樣便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的內(nèi)核電源。
本文小結(jié)
電源與其它模擬器件的集成是不可避免的，其關(guān)鍵在于選擇那些已發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)并被多種手機(jī)平臺(tái)采用的功能。推動(dòng)功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先應(yīng)用在可進(jìn)行特性定制的分立元件中，這對(duì)消費(fèi)者及手機(jī)系列型號(hào)管理非常重要?？傊娫垂芾砥骷^續(xù)在尺寸、效率及電源消耗方面挑戰(zhàn)自身極限，并在減小手機(jī)的外形尺寸與重量方面扮演重要角色。
評(píng)論