蜂窩電話電源管理方案

電源管理IC
大多數(shù)無(wú)線手持終端的核心問(wèn)題最終集中到了電源管理IC(PMIC)方面，PMIC承擔(dān)供電電路和其它電路(如接口、音頻電路)的絕大部分任務(wù)。一些占市場(chǎng)主導(dǎo)地位的模擬生產(chǎn)廠商能夠提供PMIC的定制、半定制或標(biāo)準(zhǔn)器件，這些器件通常采用針對(duì)混合信號(hào)和電源產(chǎn)品優(yōu)化的5V亞微米、雙極型CMOS處理工藝，手持產(chǎn)品中任何還沒(méi)有集成到其它功能芯片內(nèi)的電路都被試圖集成到PMIC內(nèi)，但需考慮一些制約因素，例如，在圖1電路中考慮到下述原因，沒(méi)有在芯片內(nèi)集成某些特殊功能電路：某些電路設(shè)計(jì)在其它處理器內(nèi)會(huì)更省錢、尺寸更?。浑S著技術(shù)的進(jìn)步、客戶需求的變化一些電路可能在不同的設(shè)計(jì)版本中發(fā)生變化；對(duì)于不同的平臺(tái)有些電路不通用；一些電路的設(shè)計(jì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)或挑戰(zhàn)，會(huì)直接影響設(shè)計(jì)進(jìn)度；一些電路集成到PMIC中會(huì)存在某些缺陷，如：噪聲耦合。盡可能提高電路的集成度會(huì)明顯降低產(chǎn)品的成本、縮小系統(tǒng)尺寸，特別是集成那些具有極大市場(chǎng)潛力的手持終端內(nèi)比較通用的電路，在后續(xù)設(shè)計(jì)中隨著集成度的提高，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)逐步得到控制。

低壓差線性穩(wěn)壓器
蜂窩電話內(nèi)部一般會(huì)用到5至12個(gè)獨(dú)立的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內(nèi)部存在多路不同的電壓，而是由于LDO除供電外，還要充當(dāng)電源的通/斷控制開(kāi)關(guān)，提供足夠的電源抑制比(PSRR)，避免噪聲耦合。絕大多數(shù)LDO集成在PMIC內(nèi)部，個(gè)別LDO則留在了PMIC外部，這主要是考慮到PCB板的布局、引線長(zhǎng)度、一些特殊元件(如壓控振蕩器)對(duì)噪聲靈敏度的要求，以及一些非標(biāo)準(zhǔn)功能模塊(如集成數(shù)碼相機(jī))的供電等問(wèn)題。多年以來(lái)，SOT23封裝的150mA LDO是這些離散電源的最佳選擇。目前，一些最新面世的IC采用新型封裝、新型亞微米處理工藝和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能。例如，采用SOT23封裝的LDO可提供一路300mA的輸出或兩路150mA的輸出，采用微型SC70封裝的LDO可提供120mA的輸出。這些產(chǎn)品中既具有標(biāo)準(zhǔn)器件，也具有超低噪聲(10mVrms、85dB PSRR)器件，此外，更為先進(jìn)的裸片級(jí)封裝(UCSP)進(jìn)一步縮小了離散LDO的尺寸，而QFN封裝則允許在稍大一些的晶片上提供更強(qiáng)的散熱性能，QFN封裝的LDO能夠提供更大的負(fù)載電流或集成更多的LDO，使得離散LDO方案與PMIC之間的區(qū)別越來(lái)越小。

用于處理器核的降壓型轉(zhuǎn)換器
LDO具有簡(jiǎn)單、小尺寸等特點(diǎn)，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時(shí)，效率問(wèn)題更加突出。由于在新一代蜂窩電話內(nèi)部集成了PDA功能或互聯(lián)網(wǎng)功能，要求處理器的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力更加強(qiáng)大。為了降低功耗，處理器的核電壓不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池?fù)p耗，應(yīng)采用高效的降壓型轉(zhuǎn)換器為處理器核供電。設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素有：低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)(待機(jī))電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)。為解決上述問(wèn)題不僅需要豐富的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還需要一定的獨(dú)創(chuàng)能力。就目前來(lái)說(shuō)，只有少數(shù)幾家半導(dǎo)體制造商能夠提供適當(dāng)?shù)?、SOT23封裝、具有1MHz(甚至更高)開(kāi)關(guān)頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉(zhuǎn)換器。

為射頻功率放大器供電的降壓型轉(zhuǎn)換器
在比較成熟的日本蜂窩電話市場(chǎng)，降壓型轉(zhuǎn)換器還用于CDMA射頻(RF)功率放大器(PA)的供電，為PA提供的電源電壓(Vcc)隨著終端與基站之間的距離而改變。考慮到數(shù)據(jù)傳輸密度，采用降壓型轉(zhuǎn)換器的方案能夠平均節(jié)省40-65mA的電池電流，具體取決于電源輸出電壓的步進(jìn)值、PA特性、在城市或郊區(qū)環(huán)境中傳輸聲音或數(shù)據(jù)?；谌毡竞鸵患覛W洲WCDMA廠商的成功經(jīng)驗(yàn)，韓國(guó)、美國(guó)和其他一些歐洲的蜂窩電話市場(chǎng)開(kāi)始針對(duì)這種應(yīng)用測(cè)試或設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器。降壓型轉(zhuǎn)換器具有小尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等優(yōu)點(diǎn)，SOT23封裝的降壓型轉(zhuǎn)換器是最佳選擇。為保持盡可能低的壓差，這些轉(zhuǎn)換器內(nèi)部采用一個(gè)獨(dú)立的、具有極低導(dǎo)通電阻(Rds(on))的P溝道MOSFET，當(dāng)發(fā)送功率較高時(shí)，直接由電池為PA供電。Maxim最新推出的MAX8500系列產(chǎn)品集成了這一附加的MOSFET，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的整體尺寸。

LED的供電方案
帶有彩色顯示屏的無(wú)線手持終端，白色LED是主要的背光源，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，效率高于鹵素?zé)?，但還無(wú)法與熒光燈相比。新一代蜂窩電話一般利用3-4只白色LED作為主顯示屏的背光，2只白色LED用于子顯示屏(折疊式設(shè)計(jì))的背光，6只或更多的白色/彩色LED用于鍵盤的背光源。如果電話集成有相機(jī)，還至少需要4只白色LED用于閃光燈、MPEG影片的光源。這樣，在一個(gè)手機(jī)內(nèi)總共用到了16只LED，所有的LED都需要恒流驅(qū)動(dòng)。
第一代產(chǎn)于日本的彩顯手機(jī)利用效率較低的1.5倍壓電荷泵和鎮(zhèn)流電阻實(shí)現(xiàn)LED的驅(qū)動(dòng)，這種方案消耗40mA的電流，浪費(fèi)掉了利用降壓型轉(zhuǎn)換器為PA供電節(jié)省的電流。目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器，可獲得極高的轉(zhuǎn)換效率；新推出的1倍/1.5倍壓電荷泵可以獲得同樣高的效率，而且省去了外部電感，只是與LED連結(jié)時(shí)需要許多引線。針對(duì)這一應(yīng)用存在數(shù)量眾多的IC，設(shè)計(jì)中需要考慮以下因素：高效、小尺寸的外部元件、低輸入紋波(防止噪聲耦合到其它電路)、簡(jiǎn)單的調(diào)光接口、低成本、高可靠性(輸出過(guò)壓保護(hù)等)。一些PMIC包括了白色LED的供電電路，但通常不能提供多個(gè)顯示器的供電，而且可能存在效率低、切換速度慢、需要較大電感/電容、輸入紋波較大等問(wèn)題。很多設(shè)計(jì)中采用一片單獨(dú)的IC與PMIC配合工作，或直接選用集成度很高的離散方案(如MAX1582，見(jiàn)圖2)。

充電器
幾乎所有手機(jī)都用簡(jiǎn)單的線性充電器為3節(jié)鎳氫電池或1節(jié)鋰離子電池充電，這種充電器一般集成在PMIC內(nèi)部，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，一般將檢流電阻和調(diào)整管置于外部。采用以下措施保持可靠的熱耗散：以C/4或更慢的速率充電；讓墻上適配器具有一定的輸出電阻，使其承受大部分壓差；選用脈沖充電方式和限流型墻上適配器；利用反饋環(huán)路調(diào)節(jié)墻上適配器，使調(diào)整管上的壓差保持恒定； 增加一個(gè)溫度控制環(huán)路，調(diào)節(jié)充電電流，保持管芯溫度恒定，這種方案只適合調(diào)整管置于PMIC內(nèi)部的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，選用獨(dú)立的充電芯片具有一定的靈活性，但在蜂窩電話中這些優(yōu)勢(shì)被大打折扣，因?yàn)榧稍赑MIC內(nèi)部的充電器很容易通過(guò)PMIC的串行接口重新編程設(shè)置，使其符合不同類型可充電電池的要求。■

圖1 MAX1502集成了支持高通公司MSM600 CDMA芯片組的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品電源管理IC

圖 2 MAX1582利用一個(gè)高效的升壓轉(zhuǎn)換器點(diǎn)亮主顯示器、
輔助顯示器和鍵盤