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智能電話電源管理系統(tǒng)的重要設(shè)計技術(shù)

作者: 時間:2005-01-05 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

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,并包容了數(shù)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(shù)眾多的元器件。它們中的大多數(shù)有著不同的電壓要求,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。本文將給出兩種管理系統(tǒng),它們將有助于系統(tǒng)設(shè)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?shù)钠胶狻囊蟛粩嗌仙?;外形?yīng)盡可能地小;效率要最優(yōu)化以延長電池工作時間;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視頻電話時對功耗需求的增加幅度的估計。

電池的選擇

  設(shè)計一個電源管理系統(tǒng)的首要任務(wù)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(guān)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(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于延長電池壽命來說極為關(guān)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(jīng)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(guān)模式、集成了開關(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(shù)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(jié)構(gòu)

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

  就效率而言,基于電感的開關(guān)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(diào)壓器是最便宜的,電荷泵其次,而基于電感的開關(guān)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(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(guān)電容則需要一個電感,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)計電源管理系統(tǒng)時,系統(tǒng)的設(shè)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(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(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,以保證更長的電池壽命。

  為了進一步延長電池的壽命,很多設(shè)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(chǎn)生是一大挑戰(zhàn)。如果設(shè)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(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(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(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(diào)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(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優(yōu)化的。由于大多數(shù)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(zhì)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(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,故動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)也可以應(yīng)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(yīng)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(qū)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(guān)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(diào)節(jié)技術(shù)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(shù)大大方便了現(xiàn)有的基于分立IC的設(shè)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(jīng)開始提供的有:通用型雙重開關(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(diào)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(shè)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(qū)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(shè)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(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,使得對現(xiàn)有IC(如固定的輸出電壓不同)的“仔細調(diào)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(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

  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,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(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現(xiàn)數(shù)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(shù)字電路的設(shè)計者負責(zé)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(shù)字IC。近來,半導(dǎo)體制造商們不但已經(jīng)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(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(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)不同,電池技術(shù)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(qū)動便攜式裝置。高能量、大功率的超電容可以在很短時間內(nèi)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(jīng)集成到電池組中。

  有人也在談?wù)撊剂想姵兀贿^,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(yīng)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(shè)計。例如,在1.2V電壓軌下保證



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