標簽：蜂窩電話  電源管理

摘要

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、信息服務以及在大尺寸、色彩豐富的顯示器上瀏覽互聯網信息。有些產品還包含了調頻(FM)收音機、MP3播放器、甚至數碼相機。

即使功能有所增加，消費者仍然期望在不增大尺寸的前提下保持持久的電池壽命。在一個更狹小的匣子里塞入更多功能，同時又要它消耗更少的功率，這給電源管理設計提出了極為苛刻的要求。為了應對挑戰(zhàn)，模擬IC制造商堅持不懈地開發(fā)著更小巧、更高性能的電源方案。

電源管理IC

在大多數無線手機的心臟部分跳動著一顆電源管理IC (PMIC)。PMIC承擔著大部分供電任務和一些其他單元功能，如接口或音頻。一些占市場主導地位的模擬半導體廠商提供PMIC的定制、半定制和/或標準器件，這些器件通常采用針對混合信號和電源產品優(yōu)化的5V亞微米BiCMOS工藝。手機中任何尚未集成化的其它功能都被試圖集成到PMIC內，但通常還是建議采用一些較為適中的方案，如圖1所示?；谝韵驴紤]，某些特定單元不應被集成：1) 該單元如果采用其他不同的工藝設計會更省錢或更小;2) 該單元可能會因技術的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設計版本中發(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。

毋庸置疑，集成盡可能多的功能單元到PMIC中目的就是為了節(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計的改進逐步提高集成度而得以控制。

低壓差線性穩(wěn)壓器

蜂窩電話內部一般會用到5至12個獨立的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，LDO的數量如此之多并不代表終端內部存在同樣多數量的電壓規(guī)格，而是由于LDO還被當作具有一定電源抑制比(PSRR)的on/off開關來阻止噪聲耦合。大多數LDO集成在PMIC內部，但仍有個別分離的LDO被保留下來，主要是考慮到PCB的布局/布線、一些特殊元件(如壓控振蕩器)對噪聲過于敏感、或者用來驅動一些非標單元例如集成數碼相機等。多年以來，SOT23封裝的150mA LDO是這些離散電源的最佳選擇。目前，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的設計方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能?，F在你可以由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(10?VRMS、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3mm x 3mm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封裝可實現更高電流的LDO和每封裝更多數量的LDO。其中可包含三個、四個甚至五個LDO，這就縮小了分離式方案和PMIC之間的差異。

用于處理器核的降壓型(buck)轉換器

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部集成了PDA功能或互聯網功能，要求處理器的數據處理能力、運算能力更加強大，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。為了降低電池損耗，應采用高效的降壓型轉換器為處理器核供電。設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。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設計經驗，還需要一定的獨創(chuàng)能力。就目前來說，只有少數幾家領先的模擬半導體制造商能夠提供適當的、SOT23封裝、具有1MHz以上開關頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉換器。

為RF功率放大器供電的降壓型(buck)轉換器

在比較成熟的日本蜂窩電話市場，buck轉換器還被用于驅動CDMA射頻功率放大器(PA)，它會隨著終端與基站之間距離的改變動態(tài)調節(jié)功放的VCC電源電壓?？紤]了發(fā)送概率密度函數后，buck轉換器平均可節(jié)省40mA到65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數量取決于輸出電壓的級數、PA的特性、以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語音或數據。基于日本的成功經驗和一家歐洲WCDMA廠商的先期工作，韓國、美國和其他一些歐洲的蜂窩電話廠商現已開始利用這種開關調節(jié)器進行測試或設計。要求這種buck轉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。SOT23轉換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個分離的低RDS(ON) P溝道MOSFET在高發(fā)送功率時直接由電池驅動PA。為了進一步減小總體尺寸，最新的降壓轉換器(例如MAX8500系列)集成了這個附加的FET。

越來越多的LED

帶有彩色顯示屏的無線手機中，白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現已成為背光應用中的主流。效率高于鹵素燈，但還無法與熒光燈相比。新一代蜂窩電話一般使用三或四只白色LED在主顯示屏中，兩只白色LED在副顯示屏中(折疊式設計)，還有六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，還至少需要四只白色LED用于閃光燈/頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個手機內總共用到了16只LED，它們全部都需要恒流驅動。

數年以前，第一代產于日本的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(這種方案實際上浪費掉了他們經過千辛萬苦，利用buck轉換器驅動PA所省下的40mA電流)。目前，大多數設計中采用基于電感的升壓轉換器來獲得更高的轉換效率。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連接時需要許多引線。由于LED電源的市場非常大，不可勝數的IC被設計出來用于此目的。設計中需要考慮的因素包括：高效率，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。一些PMIC包括一個白色LED電源，但通常不能驅動多個顯示器或相機的頻閃，而且可能存在效率低或開關速度過慢的問題。這就要求大尺寸的電感和電容，并產生很大的輸入紋波。很多設計中常常需要采用一個分離的IC與PMIC配合工作，或直接選用高集成度的分離方案。

電池充電

幾乎所有無線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，不過，為了簡化設計，檢流電阻和調整管還是在外部。為了保證熱耗散在容許范圍內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限流型墻上適配器;4) 利用反饋調節(jié)墻上適配器使調整管上的壓差保持恒定;或者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，這種方式只有在調整管置于PMIC內部時才可用。分離式充電IC具有很多靈活性，但在蜂窩電話中這種優(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置，使其適應不同的電池化學類型或容量。