智能電話電源管理系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)技術(shù)

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(jié)合起來(lái)，并包容了數(shù)碼相機(jī)、音樂(lè)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(kāi)為數(shù)眾多的元器件。它們中的大多數(shù)有著不同的電源電壓要求，而且消耗的電流越來(lái)越多，要求更大的功耗。

　　同時(shí)，消費(fèi)者希望電話越來(lái)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(shè)計(jì)者在最新一代蜂窩式電話的相互矛盾的目標(biāo)間尋求恰當(dāng)?shù)钠胶狻囊蟛粩嗌仙?；外形?yīng)盡可能地?。恍室顑?yōu)化以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間；電源軌噪聲/紋波要保持在可接受的范圍之內(nèi)。圖1示出從2G話音電話發(fā)展到3G視頻電話時(shí)對(duì)功耗需求的增加幅度的估計(jì)。

電池的選擇

　　設(shè)計(jì)一個(gè)電源管理系統(tǒng)的首要任務(wù)之一，是選擇一個(gè)可重新充電的電池。目前，唯一的兩種現(xiàn)實(shí)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(chǔ)能相同，鋰離子電池尺寸將更小，而重量也小于同級(jí)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(kāi)關(guān)變換器的效率方面，從一個(gè)較高的電壓降壓、獲得較低的電壓，相應(yīng)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(duì)于延長(zhǎng)電池壽命來(lái)說(shuō)極為關(guān)鍵。電池管理包括3個(gè)部分：充電管理、電池監(jiān)測(cè)和電池保護(hù)。充電管理IC已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展，從帶外部無(wú)源元件的線性控制器進(jìn)化為更有效的、基于開(kāi)關(guān)模式、集成了開(kāi)關(guān)的控制器。電池充電器必須承受500mA~1500mA范圍內(nèi)的電流，以實(shí)現(xiàn)快速的再充電。電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)IC一般與電池封裝在一起。電池監(jiān)測(cè)IC可以簡(jiǎn)單到采用“庫(kù)侖計(jì)數(shù)器”的形式(在這種情況下，必須由CPU來(lái)計(jì)算余下的電池壽命)，也可以采取帶集成微控制器的電量計(jì)的形式，它可以提供剩余容量、距電力耗盡剩余的時(shí)間、電壓、溫度和平均電流等方面的測(cè)量信息，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的通信接口與DSP/CPU實(shí)現(xiàn)直接的通信。

電源的結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)者必須確定功率IC的種類—帶集成FET、基于電感的開(kāi)關(guān)式變換器、無(wú)電感的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)式器件具有最高的總體效率，接下來(lái)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(diào)壓器是最便宜的，電荷泵其次，而基于電感的開(kāi)關(guān)電源最貴。線性穩(wěn)壓器沒(méi)有輸出紋波，而電荷泵存在一定的輸出紋波，開(kāi)關(guān)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(gè)輸入和一個(gè)輸出電容。電荷泵除了輸入和輸出電容外，還需要附加一個(gè)或兩個(gè)“飛線”電容。開(kāi)關(guān)電容則需要一個(gè)電感，其大小與封裝尺寸有關(guān)。

　　在2G電話中，數(shù)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(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)去，一般選用低到中等電流的線性穩(wěn)壓器來(lái)將電池的電壓變換為2.8V~3.0V范圍內(nèi)的電源軌。

　　在3.xG電話芯片組中，基帶處理器如今包括一個(gè)DSP、一個(gè)微處理器/控制器、控制RF的ADC和DAC，以及音頻信號(hào)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(shè)的電壓則降到了2.5V~3.0V的范圍之內(nèi)。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(shè)計(jì)者需要效率超出線性穩(wěn)壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器，以保證更長(zhǎng)的電池壽命。

　　為了進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的壽命，很多設(shè)計(jì)者需要讓鋰離子電池電壓降到2.7V最終電壓。在這種實(shí)現(xiàn)方案中，一個(gè)3.3V的軌電壓的產(chǎn)生是一大挑戰(zhàn)。如果設(shè)計(jì)者將電池的可用范圍擴(kuò)展到2.7V，而采用正向降壓－升壓或者SEPIC變換器來(lái)提供所需的3.3V電壓軌，那么，似乎很有可能會(huì)大大延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。但對(duì)一個(gè)600mAh電池的分析(見(jiàn)表1)卻表明，這并不成立。利用SEPIC型變換器來(lái)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(zhǎng)一點(diǎn)電池的使用時(shí)間，延長(zhǎng)的量也很短。

　　此外，考慮到雙電感SEPIC變換器的成本將會(huì)更高，采用高效率的開(kāi)關(guān)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(lái)提供3.3V電壓軌，而集成化的解決方案將采用SEPIC 變換器來(lái)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?yàn)樗鼪](méi)有輸出紋波。

　　讓DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)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(jīng)降低到了1V，高效率的基于電感的開(kāi)關(guān)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(guò)一個(gè)電荷泵或者基于電感的降壓/升壓變換器來(lái)供電。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)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(jī)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(guān)，所占總功率的比例可以從通話時(shí)的75％變化到待機(jī)模式時(shí)的30%。較早的采用非線性PA的GSM電話的發(fā)射機(jī)，其典型的效率約為50％。而較新的標(biāo)準(zhǔn)，如WCDMA，則同時(shí)需要幅值和相位調(diào)制，此時(shí)，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(fù)載的要求在60~120mA范圍內(nèi)。因此，設(shè)法保證PA和處理器的電源效率，就顯得極為關(guān)鍵。

　　與在大規(guī)模集成電路中所用的技術(shù)相似，動(dòng)態(tài)/自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(DVS/AVS)可以將處理器與穩(wěn)壓器連接成一個(gè)閉合回路系統(tǒng)，它可以將數(shù)字電源的電壓調(diào)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(lái)優(yōu)化的。由于大多數(shù)手機(jī)是在距離基站較近的位置處工作的，故手機(jī)的無(wú)線RF部分將發(fā)射功率降低到維持通話品質(zhì)所需的最低功率水平上。功率水平較低時(shí)，PA的效率變差。

　　圖3 表明，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和調(diào)整功率放大器的電壓，可以將效率提高10%~20%。

　　由于數(shù)字處理器消耗的功率與電壓的平方成正比，故動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)也可以應(yīng)用于CPU。在處于待機(jī)或者某些其他功能減弱的模式時(shí)，CPU可以在更低的頻率下工作，于是電壓可以降低到相應(yīng)較低的功耗水平上，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率和更長(zhǎng)的電池壽命。舉例來(lái)說(shuō)，考慮一個(gè)由TPS62200降壓變換器驅(qū)動(dòng)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(wú)DVS時(shí): Vout=1.5V@300mA

效率= 93%

深度休眠 (TPS62200 in PFM)

帶DVS時(shí)，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(shí)間的關(guān)系表明，深度休眠狀態(tài)下DVS的采用，使電池的壽命延長(zhǎng)了9小時(shí)。

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(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)通過(guò)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(shù)大大方便了現(xiàn)有的基于分立IC的設(shè)計(jì)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(jīng)開(kāi)始提供的有：通用型雙重開(kāi)關(guān)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(shù)碼相機(jī)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(shè)備的電源IC帶有集成的外設(shè)。 在本解決方案中，3.3V I/O軌由一個(gè)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(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)有助于通過(guò)每一部件效率的提高來(lái)降低功耗。

分立還是集成?

　　一般說(shuō)來(lái)，集成化的IC比多個(gè)額定指標(biāo)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(shè)計(jì)。集成的IC還可以包括原來(lái)由分立IC提供的電源軌、振動(dòng)和LED驅(qū)動(dòng)的順序控制等一些功能。

　　過(guò)去，集成化的IC高度專用化，沒(méi)有很大的靈活性。因此，它們不能滿足設(shè)計(jì)循環(huán)的后期階段出現(xiàn)的較大改動(dòng)。然而，新的制造工藝技術(shù)，包括為了輸出電壓軌編程控制和封裝后修調(diào)而集成的E2PROM，使得對(duì)現(xiàn)有IC(如固定的輸出電壓不同)的“仔細(xì)調(diào)整”變得更加容易、快速和便宜。另一方面，一個(gè)集成化的IC通常沒(méi)有第二個(gè)供應(yīng)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(shì)

　　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(shù)字部件(像基帶處理器)集成起來(lái)，將帶來(lái)更大的PCB空間節(jié)約和總體成本的降低。過(guò)去，阻礙更高層次上的數(shù)字和模擬部件的集成因素，是復(fù)雜的電子系統(tǒng)的每一部分各不相同的要求。數(shù)字基帶部分需要高密度的處理能力以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(shuō)來(lái)是PLL)需要采用針對(duì)高頻工作而進(jìn)行了優(yōu)化的BiCMOS器件。

　　過(guò)去，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)者負(fù)責(zé)工藝的開(kāi)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(shí)現(xiàn)，這樣便需要獨(dú)立制作數(shù)字IC。近來(lái)，半導(dǎo)體制造商們不但已經(jīng)開(kāi)發(fā)出單一化的、采用了更細(xì)柵長(zhǎng)(以實(shí)現(xiàn)高密度和高速度)的BiCMOS工藝，而且還能實(shí)現(xiàn)承受更高電壓的、針對(duì)更多模擬和電源應(yīng)用的器件。最終，很多數(shù)字和模擬功能，包括電源管理、都將集成到單塊芯片上。

未來(lái)的挑戰(zhàn)

　　如今的消費(fèi)者需要功能更豐富、充電工作時(shí)間更長(zhǎng)的智能電話。新開(kāi)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(dǎo)通電阻更低，最終，這會(huì)帶來(lái)效率更高的電源IC。

　　不過(guò)，與不斷變化的半導(dǎo)體技術(shù)不同，電池技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)步到不增大尺寸就可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)壽命的程度。

　　最近，電容器開(kāi)發(fā)方面的進(jìn)展正在讓可充電電池和電容之間的界線變得模糊起來(lái)。高能超級(jí)電容目前正用于在插拔電池時(shí)驅(qū)動(dòng)便攜式裝置。高能量、大功率的超電容可以在很短時(shí)間內(nèi)提供很大的電流，因此，可以用來(lái)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(jīng)集成到電池組中。

　　有人也在談?wù)撊剂想姵兀贿^(guò)，目前一次性使用的料罐還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。此外，燃料電池的瞬態(tài)輸出響應(yīng)較差。至少在初期，燃料電池只能作為一種電池的補(bǔ)充手段而非電池的替代品引入市場(chǎng)。

　　不過(guò)以更低的工作電壓實(shí)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(shè)計(jì)。例如，在1.2V電壓軌下保證