智能型手機電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

　　當(dāng)今科技所需求的手機電池除了要能夠長時間供應(yīng)穩(wěn)定電源外，體積小重量輕也是關(guān)鍵?？s小電路板面積、增長供電時間與減少成本該如何畢其功于一役？將眾多電源管理組件整合在單一芯片上將是解決問題的最好途徑。

　　早期的行動電話不是體積笨重龐大，就是必須受到汽車電池的束縛，但經(jīng)過長時間的發(fā)展，今天的行動電話已變得非常輕巧，除了電話功能，它們還會做許多事。新型3.xG 智能型手機把傳統(tǒng)的2G 行動電話和多種其它功能結(jié)合在一起，包括PDA、數(shù)字相機、音樂播放機（MP3）以及全球定位系統(tǒng)（GPS）。如此多元的功能需要許多零件，其中絕大多數(shù)的電源電壓并不相同，電流需求則不斷增加，使得它們需要更多電力。(圖一)是從2G 語音電話升級到3G 視訊電話后，功率需求增加的估計值。

 
　　圖一功耗值在此同時，消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理系統(tǒng)，它們可以協(xié)助智能型手機設(shè)計人員在彼此沖突的目標(biāo)間取得平衡，例如將封裝減至最小，同時支持更大的功率需求；實現(xiàn)最佳效率，讓電池提供最長的使用時間；以及將電源噪聲和漣波降至可接受水平，以支持新世代的行動電話。

選擇電池

　　選擇充電電池是電源管理系統(tǒng)設(shè)計的首要工作之一，鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270～300Wh/l，單位重量蓄電量為110～130Wh/kg，都高于鎳氫電池的220～300Wh/l 以及75～100Wh/kg，因此在同樣蓄電量下，鋰離子電池的體積和重量都小于鎳氫電池；另外，鋰離子電池的3.6V 工作電壓也高于鎳氫電池的1.2V。行動電話的多數(shù)功耗都來自于1.2V 和3.3V 電源，要讓交換式電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最大工作效率，較有效的方法通常是從高電壓轉(zhuǎn)換至低電壓，而不是從低電壓轉(zhuǎn)換至高電壓，因此鋰離子電池是最佳選擇。

　　要讓充電電池提供最長使用時間，適當(dāng)?shù)碾姵毓芾砗涂刂凭惋@得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監(jiān)視和電池保護。從使用外接導(dǎo)通組件的線性控制器開始，到內(nèi)建開關(guān)組件且效率更高的交換式控制器，充電控制組件已有長足進步。電池充電器必須處理500mA 到1500mA 范圍內(nèi)的電流，以便提供快速的充電周期時間。電池監(jiān)視和保護組件通常都與電池封裝在一起，電池監(jiān)視組件可以是簡單的「電荷計量器」（coulomb counter），由中央處理器負(fù)責(zé)計算電池剩余電力；也可以是內(nèi)建微控制器的電池電力量測組件（gas gauge），由它透過DSP 與處理器之間的簡單界面，直接提供剩余電力、剩余供電時間、電池電壓、溫度和平均電流量測值等資料。

電源拓樸

　　接著，設(shè)計工程師必須決定電源轉(zhuǎn)換組件的種類，它或許是以電感為基礎(chǔ)、并且內(nèi)建FET 開關(guān)的交換式電源轉(zhuǎn)換器、無電感的交換式電源轉(zhuǎn)換器（電荷泵浦）或是線性穩(wěn)壓器。這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)點。就效率而言，以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器擁有最高的整體效率，其次是電荷泵浦，最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常反比于效率，因此線性穩(wěn)壓器成本最低，然后是電荷泵浦，最后則是以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器。線性穩(wěn)壓器沒有輸出漣波，電荷泵浦有一些輸出漣波，交換式穩(wěn)壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個解決方案的體積來看，線性穩(wěn)壓器的體積最小，通常只需輸入和輸出電容，電荷泵浦除了輸入和輸出電容外，還需一顆或兩顆「飛馳」（flying）電容，交換式穩(wěn)壓器則需要電感器，因此其封裝體積會有很大差異。

　　無論DSP 或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等數(shù)字零件，或是電源管理系統(tǒng)等模擬零件，2G 電話幾乎不提供任何的功能整合，系統(tǒng)設(shè)計人員在發(fā)展電源管理系統(tǒng)時，通常會以成本和體積為優(yōu)先考慮，而不是轉(zhuǎn)換效率。線性穩(wěn)壓器只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成更低的輸出電壓，因此電池電壓必須高于3.3V，此時可利用低電流或中電流的線性穩(wěn)壓器進行電壓轉(zhuǎn)換，以便提供電力給

　　至2.8V 范圍內(nèi)的其它電源需求。在3G 芯片組中，基頻處理器現(xiàn)已包含DSP、微處理器／微控制器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用來控制射頻訊號和音頻訊號處理。這顆處理器的核心電壓已降至1.2V 或是更低，I/O 和外圍電壓也開始減少至2.5V 至3.0V 范圍；由于3.xG 電話的電流需求通常都超過2.G 電話，3.xG 設(shè)計人員需要效率高于線性穩(wěn)壓器的直流電源轉(zhuǎn)換器，以便提供更長的電池使用時間。
為進一步延長電池壽命，許多設(shè)計人員必須盡量利用鋰離子電池電力，直到其電壓降至最小值為止；在此過程中，如何產(chǎn)生3.3V 電壓就變成一項挑戰(zhàn)。從表面上來看，設(shè)計人員若能繼續(xù)使用電池直到2.7V，并利用正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器或是SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供3.3V 電源，可攜式裝置的電池壽命就會大幅延長，但是根據(jù)(表一)針對600mAh 電池所做的簡單分析可發(fā)現(xiàn)情形并非如此，因為無論是采用效率更高的降壓轉(zhuǎn)換器，并將電池使用到3.3V，或是采用SEPIC 之類的轉(zhuǎn)換器，并將電池電力完全用盡，這兩種方式的供電時間幾乎沒有任何區(qū)別。
 

表一 60mAh 電池分析

　　除此之外，無論是使用兩顆電感的SEPIC 轉(zhuǎn)換器，或是某些效率更高的新型正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器，它們的成本都更高，因此在做整體評估時，只使用3.3V 以上的電池電力，然后利用高效率交換式電源轉(zhuǎn)換器提供3.3V 電源的方法不但更有效率，還可能是更具吸引力的選擇。以下介紹的離散解決方案就是使用降壓轉(zhuǎn)換器提供3.3V 電源，整合式解決方案則采用SEPIC 轉(zhuǎn)換器。

系統(tǒng)概述

　　不同的智能型手機零件有著不同的電源需求，(圖二)是行動電話中需要電源的主要零件簡單方塊圖，例如射頻單元的壓控振蕩器（VCO）以及鎖相回路（PLL）就需要極低噪聲和很高電源拒斥比的電源，確保它們提供最高的傳送和接收效能，因此雖然線性穩(wěn)壓器的效率不高，但由于它沒有輸出漣波，所以是這類電源供應(yīng)的最佳選擇；同樣重要的是將直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，還有它們的二階和三階諧波，都保持在中頻頻帶之外。由于DSP 和中央處理器的核心電壓已降至1V 左右，以電感為基礎(chǔ)的高效率交換式降壓轉(zhuǎn)換器是理想選擇。至于屏幕背光照明所使用的白光二極管，其電源可來自電荷泵浦或電感式升壓／降壓轉(zhuǎn)換器。

 
圖二智能型手機電源方塊圖

動態(tài)電壓調(diào)整（Dynamic Voltage Scaling）

　　從圖一可看出，電源需求最高的兩顆零件是在射頻單元，分別是發(fā)射機的功率放大器和基頻處理器。隨著電話與基地臺之間的距離不同，功率放大器在通話過程中最多消耗75 ％的總功耗，待命模式則只有30％。采用非線性功率放大器的舊型GSM 電話發(fā)射機的典型工作效率約為50％，但是WCDMA 等較新標(biāo)準(zhǔn)卻同時需要振幅及相位調(diào)變，這只有工作效率在25％至35％之間的線性放大器可以提供。除此之外，CDMA2000 1x 手機的正常基頻處理器負(fù)載需求是在60 至120mA 范圍，因此提供最有效率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。

　　動態(tài)／可適性電壓調(diào)整技術(shù)（DVS/AVS）與高整合度組件所使用的方式很類似，它會把閉回路系統(tǒng)中的處理器和穩(wěn)壓器連結(jié)在一起，并在確保系統(tǒng)正常工作的情形下，將數(shù)字電源供應(yīng)的輸出電壓動態(tài)調(diào)整至最小值。功率放大器會被最佳化，使它在最大傳送功率下?lián)碛凶罡咝?。由于絕大多數(shù)手機都在基地臺附近工作，手機的無線電功能會在維持通訊質(zhì)量的前題下，將傳送功率降至最低水平。當(dāng)功率放大器在較低的功率水平下工作時，它的效率會受到影響，從(圖三)可以看出，利用動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)來調(diào)整功率放大器的電壓，它的工作效率會增加10％至20％。

 
圖三功率放大器效率

　　數(shù)字處理器的功耗正比于電壓平方，因此中央處理器也能采用動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)；當(dāng)中央處理器進入待命模式或其它功能精簡模式，它就能在較低的頻率頻率下工作，此時可將處理器電壓降低，以便減少功耗，提升工作效率，延長電池壽命。就以O(shè)MAP1510 為例，假設(shè)它的電源是由TPS62200 供應(yīng)，并使用1 安培小時的3.6V 鋰離子電池輸入，其它特性包括：

●睡眠模式（TPS62200 采用PFM 調(diào)變）未用動態(tài)電壓調(diào)整：Vout = 1.5 V @ 300 µA ；效率= 93％

●正常工作模式（TPS62200 采用PWM 調(diào)變）：Vout = 1.5 V @ 100 mA ；效率 = 96％

　　假設(shè)此組件95％時間處于睡眠模式，5％時間處于正常工作模式，則從輸出功率與時間的關(guān)系圖可看出，將動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)用于睡眠模式，電池壽命會最多延長9 個小時。

離散解決方案

(圖四)是利用離散組件實作的電源管理系統(tǒng)，電池電壓限制為3.3V。

 
圖四利用離散組件實作的電源管理系統(tǒng)

　　在這個解決方案中，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)動組件之外，它們是采用3