蜂窩電話的電源管理器IC及其新技術(shù)應(yīng)用的最佳選擇

多功能的新一代蜂窩電話巳在國內(nèi)外市場廣泛使用。新一代手機不僅尺寸小巧，而且集成了更多的功能，如PDA功能，收／發(fā)電子郵件，短信服務(wù)，以及在大尺寸、色彩豐富的顯示器上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)信。有些手機型號還包含了調(diào)頻（FM）收音機、MP3播放器、甚至分辨率較高的數(shù)碼相機等。 無論其功能如何，對消費者而言，總是期望在手機不增加尺寸的情況下提供持久的電池壽命。即在一個更狹小的機匣之中既能具有更多功能同時又只消耗更少功率。這樣給電源管理設(shè)計提出了極為苛刻的要求。

為了應(yīng)對桃戰(zhàn)，制造商必須解決以下新課題：
1、堅持開發(fā)出更小巧、更高性能的電源方案——電源管理器IC（PMIC）；
2、在電源管理器IC（PMIC）的基礎(chǔ)上進一步深化、拓寬新潮技術(shù)和器件的應(yīng)用，以完 成新型手機的配套的最佳選擇。而本文將就如何選擇新型電源管理器IC與其所發(fā)展的新技術(shù)及白光LED應(yīng)用方案作分析介紹。

電源管理器IC（PMIC）如何配置

選擇集成度適中的PMIC 在大多數(shù)無線手機均有心臟部分——電源管理器IC（PMIC）。其PMIC主要承擔供電的任務(wù)和其他一些單元功能，如接口或音頻。目前，占在市場占主導地位的一些模擬半導體廠商能提供PMIC的定制和半定制的標準器件，這些器件通常是采用針對混合信號和電源產(chǎn)品優(yōu)化的5V亞微米的Bi（雙極）CMOS工藝，而手機中任何尚未集成化的其它功能也都試圖擬集成到PMIC內(nèi)。對此，建議還是采用一些較為適中的方案，如圖1所示MAX1502標準產(chǎn)品電源管理管IC（PMIC），只集成了那些能支持CDMA芯片組所要求的通用模塊。

基于以下因素，某些特定單元不應(yīng)被集成：
1、該單元如果采用其他不同的工藝設(shè)計會更省錢或更??；
2、該單元可能會因技術(shù)的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設(shè)計版本中發(fā)生變化；
3、該單元可能在不同的平臺上不通用；
4、該單元可能會給研發(fā)進度帶來過分的設(shè)計挑戰(zhàn)／風險；
5、該單元可能會因性能的原因（例如噪聲耦合）不適合被集成。

無疑，集成盡可能多的功能單元到PMIC中，其目的就是為了節(jié)省成本和尺寸，尤其是當這種集成方案被大批量的手機普遍接受時。風險可以通過隨著設(shè)計的改進及逐步提高集成度而得以控制。 關(guān)于PMIC及其低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的發(fā)展 蜂窩電話內(nèi)部一般會用到5至12個獨立的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO1、LDO2…LDO12可見圖1所示），LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內(nèi)部存在同樣多數(shù)量的電壓規(guī)格，而是由于LDO還被當作具有一定電源抑制比（PSRR）的on／off（開關(guān)）來阻止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMIC內(nèi)部，但仍有個別分離的LDO被保留下來，主要是慮到：PCB板的布局／布線；一些特殊元件（如壓控振蕩器）對噪聲過于敏感；或者用來驅(qū)動一些非標單元，如集成數(shù)碼相機等。 多年以來，SOT23封裝的150MA LDO是這些離散電源的最佳選擇。目前，—些最新面世的IC采用新型封裝與新型亞微米處理工藝及先進的設(shè)計方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能?，F(xiàn)在可以由SOT23獲得單個300MA的LDO，SOT23封裝的兩路150MA LDO或微型SC70封裝的單個120MA LDO，兼有標準版和超低噪聲（10uVrms-電壓平均有效值、85dB PSRR）版器件。此外，更為先進的晶片級封裝（UCSP）提供了最大可能的細小尺寸，而QFN封裝則允許在3MMx3MM面積的塑料封裝中裝入最大的晶片尺寸，同時又提供更高的熱傳導能力。因此，QFN封裝可實現(xiàn)更高電流的LDO和每個封裝具更多數(shù)量的LDO。其中可包含3個、4個甚至5個LDO，這就縮小了分離式方案和PMIC之間的差異。

新型降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的出現(xiàn)
 
用于處理器核的降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器 LDO具有簡單、小尺寸等特點，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時效率問題更加突出。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、運算能力更加強大，為了降低功耗則處理器的核電壓就應(yīng)不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池損耗，應(yīng)采用高效的降壓型轉(zhuǎn)換器為處理器核供電。為此，在設(shè)計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）電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設(shè)計經(jīng)驗，還需要一定的獨創(chuàng)能力。就目前來說，只有少數(shù)幾家領(lǐng)先的模擬半導體制造商能夠提供合適的SOT23封裝和具有1MHz以上開關(guān)頻事及允許選用微型外部電感、電容元件的降壓型轉(zhuǎn)換器。 為RF功率放大器供電的降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器 在比較成熟的蜂窩電話市場，buck轉(zhuǎn)換器還被用于驅(qū)動CDMA射頻功率放大器（PA）之中，它會隨著終端與基站之間距離的改變，動態(tài)調(diào)節(jié)功放的VCC電源電壓?？紤]了發(fā)送概率密度函數(shù)后，buck轉(zhuǎn)換器平均可節(jié)省40MA到65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數(shù)量取決于輸出電壓的級數(shù)、PA的特性、以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語音或數(shù)據(jù)，基于國際上少數(shù)國家的成功經(jīng)驗和一些先進的WCDMA廠商的先期工作，當今韓國、美國和其他一些歐洲的蜂窩電話廠商現(xiàn)已開始利用這種降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器或稱開關(guān)調(diào)節(jié)器（如MAX1820芯片）進行測試或設(shè)計。要求這種buck轉(zhuǎn)換器具有非常小的尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等特點，而SOT23封裝型轉(zhuǎn)換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個分離的低導通電阻Rds（on）P溝道MOSFET，而其在高發(fā)送功率時直接由電池驅(qū)動PA。為了進一步減小總體尺寸，最新的降壓轉(zhuǎn)換器（如MAX8500系列）集成了這個附加的FET（MOS場效應(yīng)功率管）。

應(yīng)用白色LED是新潮流方案

直接選用高集成度的分離方案的選用 目前，由于近期LED技術(shù)的發(fā)展已產(chǎn)生了一種能夠發(fā)出白光的LED。白光LED與傳統(tǒng)的背光源相比具有小尺寸、低成本、復(fù)雜度低、等許多優(yōu)勢。為此在帶有彩色顯示屏的無線手機中，特別是白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現(xiàn)已成為背光源應(yīng)用中的主流，其效率高于鹵素燈。新一代蜂窩電話一般使用3或4只白色LED在主顯示屏中，2只白色LED在副顯示屏中（折疊式設(shè)計），還有6只或更多白色或彩色LED在鍵盤的背面。如果集成有相機的話，還至少需要4只白色LED用于閃光燈／頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個手機內(nèi)總共用到了16只LED，它們?nèi)慷夹枰懔黩?qū)動。

由于數(shù)年前，第一代彩顯手機采用的是效率較低的1.5倍壓電荷泵和鎮(zhèn)流電阻，通常這樣利用BUCK轉(zhuǎn)換器驅(qū)動PA所省下的40MA電流被白白浪費了。如今。大多數(shù)設(shè)計中采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器來獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。而新推出的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，只是與白色LED連接時需要許多引線。由于LED電源的市場非常大，為此，許多性能價格比高的IC被設(shè)計出來用于此目的，但設(shè)計中需要考慮的因素包括：高效率與小尺寸外部元件；低輸入紋波（防止噪聲耦合到其它電路）；簡單的調(diào)光接口以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性，例如輸出過壓保護。 現(xiàn)在一些PMIC包括一個白色LED電源，但通常不能驅(qū)動多個顯示器或相機的頻閃，而且可能存在效率低或開關(guān)速度過慢的問題。為此，必須要采用大尺寸的電感和電容，這樣的后果是會帶來很大輸入紋波。

那如何解決？ 據(jù)此，在設(shè)計中常常采用一個分離的IC與PMIC配合工作或直接選用高集成度的分離方案。值此介紹的是高集成度的分離方案，見圖2所示:即用高效率的升壓轉(zhuǎn)換器MAXl582所產(chǎn)的電源電壓，來照亮手機主顯示器（6只色LED）、輔助顯示器（2只色LED）和鍵盤（3只色LED）的白色LED設(shè)計新方案圖。其輸入電壓為2.6v-5.5v，由于白色LED正向電壓的典型值約為3.5V±l0%則輸出電壓Vout1應(yīng)大于11v，輸出電壓Vout2應(yīng)大于7v。這樣解決了白色LED背光是手機中用電大戶之一的難題。其L為22uH微型外部電感。
    
緊湊的無電感升壓電路MAX1759-調(diào)節(jié)白光的偏置電流

白光LED正向電壓的典型值約為3.5V±l0%，只需為器件提供正向偏置即可得到白色光。當白色光LED正向電壓高于電池電壓時需要升壓電路，傳統(tǒng)的解決方案是利用升壓電路、通過鎮(zhèn)流電阻為LED提供偏置，這種方案存在兩個缺陷：首先，白光LED較寬的正向電壓變化范圍會造成較大的偏置電流變化、導致亮度偏差；其次，傳統(tǒng)的升壓方案在輸入與輸出之間有一條直流通路（即使在關(guān)斷狀態(tài)），使不工作的LED不必要地消耗電池電流。 為克服上述弊端，而采用新型無電感升壓電路MAX1759（即穩(wěn)壓型升／降壓電荷泵），是一種結(jié)構(gòu)緊湊的解決方案，見圖3所示電路。穩(wěn)壓型升／降壓電荷泵采用小尺寸（uMAX）封裝，可提供100mA輸出電流。按照圖3中配置，可直接為白光LED提供穩(wěn)定的偏置電流，為多個并聯(lián)LED提供偏置時具有較好的亮度分布。MAX1759電路在關(guān)斷狀態(tài)下輸入與輸出之間沒有直流通路，用戶能夠利用SHDN控制白色LED背光的通、斷。該電路還帶有一個“電源正常”（POK）輸出，告知微處理器白色LED背光是否己準備好。而圖3所示的輸入C1R1C2“∏”型濾波器可將反射到輸入端的電壓VIN紋波限制到僅40mVp-p（當Vin=3.6V時）。 由于輸出電壓Vout紋波不影響視覺效果，在本應(yīng)用中被放在次要位置考慮，允許選用一個小的輸出容C3（0.22uF），即使這樣，輸出紋波也只有400mVp-p。

電池充電

幾乎所有手機都用簡單的線性充電器為3節(jié)NiMH電池或1節(jié)鋰電池充電，很多情況下該充電器被集成到PMIC內(nèi)。不過，為了簡化設(shè)計，檢流電阻和調(diào)整管還是在外部。

為了保證熱耗散在容許范圍內(nèi)有許多措施可以選擇： 1、以C/4或更慢的速率充電； 2、讓墻上適配器具有一定的阻性，使大部分電壓降落在它上面； 3、選用脈沖充電方式和阻流型墻上適配器； 4、利用反饋調(diào)節(jié)墻上適配器使調(diào)整管上的壓差保持恒定； 5、增加一個恒定熱量控制環(huán)路，通過節(jié)制充電電流來保持恒定的晶片溫度，這種方式只有在調(diào)整管置于PMIC內(nèi)部時才可以用。

值得指出的是雖然分離式充電IC具有很多靈活性，但在峰窩電話中這種優(yōu)勢大打折扣因為集成式充電器很容易通過PMIC的串行接口重新編程設(shè)置，使其適應(yīng)不同的電池化學類型或容量。

應(yīng)該說隨著蜂窩電話型號與功能的增多，其對PMIC的要求也越來越高，面臨這新桃戰(zhàn)、新課題，制造商與設(shè)計人員當務(wù)之急是應(yīng)開發(fā)出符合新發(fā)錄展要求的PMIC及其新技術(shù)。從以上分析可以看出，無論是集成度高的PMIC型或降壓、升壓轉(zhuǎn)換器，還是分成離式與IC相配合及白色LED等多種形式及新技術(shù)，其共同的特征是體積小、低成本、高效率。