智能手機電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

自龐大笨重的“手提”電話或受限于車載蓄電池的電話問世以來，蜂窩電話技術(shù)經(jīng)歷了一段漫長的發(fā)展歷程。如今的電話不僅外形纖巧，而且功能遠遠超出了撥打電話。新型 3.xG 智能電話將傳統(tǒng)的 2G 蜂窩電話與類似于 PDA 的功能以及數(shù)碼相機 (DSC)、音樂播放器 (MP3) 及全球定位系統(tǒng) (GPS) 結(jié)合在一起。要提供如此豐富多樣的功能，就需要無數(shù)的元器件，而其中大部分元器件都具有不同的電壓與不斷增大的電流，因此這對電源系統(tǒng)提出了更高的要求。圖 1 顯示了從 2G 語音呼叫到 3G 視頻呼叫預(yù)計需要提高的功率量。

　　同時，消費者需要更小巧的電話。本文介紹了兩種可選電源管理系統(tǒng)，以幫助智能電話系統(tǒng)設(shè)計人員滿足如下競爭性目標 ：最小型封裝和增大的電源需求、提供最佳功效以最大限度延長電池使用壽命，以及最新一代手機的容許電源噪聲／紋波等。
　　電池的選擇
　　在設(shè)計電源管理系統(tǒng)時，首要任務(wù)是選擇可充電電池。目前只有兩種選擇，分別是 NiMH 電池及鋰離子電池。鋰離子電池的體積與重量能量密度（270~300 Wh/l 與 110~130 Wh/kg）通常高于 NiMH 電池（220~300 Wh/l 與 75~100 Wh/kg）。因此，對于相同的能量來說，鋰離子電池比相應(yīng)的 NiMH 電池的體積更小、重量更輕。此外，鋰離子電池的工作電壓 (3.6V) 要高于 NiMH 的工作電壓 (1.2V)。大多數(shù)手機的電源均使用 1.2V 及 3.3V 。要最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率，通常從高電平降壓至低電平要比從低電平升壓至高電平的效率高。因此，鋰離子電池是最佳的選擇。
　　正確管理與控制可充電電池對最大限度地延長電池使用壽命來說至關(guān)重要。電池管理包括三個組成部分：電荷控制、電池監(jiān)控與電池保護。電荷控制 IC 從具有外部元件的線性控制器到具有集成開關(guān)、更高效、基于開關(guān)的控制器，經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。電池充電器必須處理的電流范圍為 500mA 至 1500 mA，以提供更短的充電周期。電池本身通常自帶電池監(jiān)控與保護 IC。電池監(jiān)控 IC 像“庫侖計數(shù)器”那么簡單，CPU 必須通過該 IC 來計算所剩的電池使用壽命，以便對集成微處理器進行電量監(jiān)測，該微處理器可通過簡單的通信接口直接向 DSP/CPU 提供剩余電量、可使用時間、電壓、溫度以及平均電流測量值。
　　電源拓撲
　　接下來，設(shè)計人員必須確定電源 IC 的類型，不管它是基于電感器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器（具有集成 FET）、無電感器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器（或充電泵），還是線性穩(wěn)壓器。每種類型都有各自的優(yōu)勢。從效率方面來看，基于電感器的開關(guān)整體效率最高，其次是充電泵，最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常與效率成反比，線性穩(wěn)壓器的成本最低廉，其次是充電泵，最后是基于電感器的開關(guān)。線性穩(wěn)壓器沒有輸出紋波，而充電泵有一些輸出紋波，開關(guān)則是這三者中輸出紋波最高的一個。從解決方案的總體大小來看，線性穩(wěn)壓器的體積最小，通常只需要一個輸入與輸出電容器；除了輸入與輸出電容器之外，充電泵另外還需要一個或兩個“快速”電容器 (flying capacitor) ；開關(guān)需要一個電感器，其封裝大小各不相同。

　　2G 電話的集成度較低，其集成器件可能是數(shù)字器件（如 DSP 與 ADC），也可能是模擬組件（如電源管理系統(tǒng)）。在設(shè)計電源管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)設(shè)計人員通常會先考慮成本及大小，然后再考慮其效率。由于線性穩(wěn)壓器只能對其輸入電壓進行降壓，所以只有當(dāng)電壓降至 3.3V 時才能使用該電池。使用中低電流的線性穩(wěn)壓器可以將電池電壓降至 3.0V 至 2.8V 范圍內(nèi)的剩余電源電壓。在 3.xG 電話芯片組中，目前的基帶處理器包括 DSP、微處理器／控制器、用于控制射頻的 ADC 與 DAC 以及音頻信號處理。該處理器的內(nèi)核電壓將降至 1.2V 或 1.2V 以下，而 I/O 與外設(shè)電壓則開始降至 2.5V 到 3.0V 之間。由于 3.xG 電話電源電平的電流需求通常大于2G電話，因此 3.xG 設(shè)計人員需要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，從而延長電池使用壽命。
　　要進一步延長電池使用壽命，許多設(shè)計人員都需要考慮在終端電壓降至 2.7V 時使用鋰離子電池。為此，他們面臨著生成 3.3V電壓的挑戰(zhàn)。如果設(shè)計人員將電池電壓降至 2.7V，并使用正降壓－升壓或 SEPIC 轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V電壓，則便攜設(shè)備將會有更長的電池使用壽命，這似乎有一定的道理。但是，如果對表 1 中的 600 mAh 電池進行簡單分析就會發(fā)現(xiàn)情況并非如此（表 1）。如果充分利用 SEPIC型轉(zhuǎn)換器的電池電量，而不是將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V，并使用最高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，則所節(jié)約的電池電量非常有限。
　　此外，如果考慮到雙電感器 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的成本較高，或 考慮到某些新型、更高效率的正降壓－升壓轉(zhuǎn)換器，則將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V 并使用高效率開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V 也不失為一種有效的方法，甚至可能是一種更誘人的選擇。因此，下面介紹的離散解決方案使用了降壓轉(zhuǎn)換器，而集成解決方案則使用SEPIC 轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V 。
　　系統(tǒng)概述
　　智能電話中對不同組件的電源要求不同。圖 2 中顯示了蜂窩電話中主要組件電源需求的簡單結(jié)構(gòu)圖。例如，射頻部分的 VCO 與 PLL 要求電源電平具有極低的噪聲與極高的電源抑制，以確保提供最高的收發(fā)性能。因此，盡管線性穩(wěn)壓器的效率非常低，但由于它沒有輸出紋波，因而對于該電平來說是最佳的選擇。此外，它對在 IF 頻帶外保持 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的交換頻率以及其第 2 個與第 3 個諧波來說非常重要。由于 DSP/CPU 內(nèi)核電壓已降至大約 1V 左右，因此基于電感器的高效率開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器也是合適的選擇。提供屏幕背光的白色 LED 可通過充電泵或基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)供電。

　　動態(tài)電壓估量
　　圖1顯示了功率需求最大的兩個組件，一個是射頻部分，其主要是發(fā)送器的功率放大器 (PA)，另一個是基帶處理器。根據(jù)電話距離基站的遠近程度，一次呼叫 PA 可消耗高達 75% 的總電量，而在待機模式下僅消耗 30%。通常，帶有非線性 PA 的舊式 GSM 電話發(fā)送器的效率大約為 50%。但是，像 WCDMA 這樣的最新標準則要求幅度與相位同時調(diào)制，而這只能通過工作效率在 25% 至 35% 之間的線性 PA 來提供。此外，CDMA2000 1x 電話的正常基帶處理器負載要求均在 60 至 120 mA 之間。因此，為 PA 及處理器提供最大功效是至關(guān)重要的。

　　與大規(guī)模集成 IC 中所采用的技術(shù)類似，動態(tài)／自適應(yīng)電壓估量 (DVS/AVS)在閉環(huán)系統(tǒng)中將處理器與穩(wěn)壓器鏈接在一起，該系統(tǒng)可對數(shù)字電源電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以達到執(zhí)行相應(yīng)操作所需的最低電平。PA 經(jīng)過專門優(yōu)化，可在最大的發(fā)送功率下提供最高的效率。由于大多數(shù)手機在使用時都距基站較近，因此手機無線電可將發(fā)送功率降至維持高質(zhì)量通信所需的最低水平。電源級別降低時，PA 效率也會相應(yīng)降低。從圖 3 中可以看出，通過采用動態(tài)電壓估量并調(diào)節(jié)功率放大器的電壓，可以將效率提高10% 到 20%。
　　由于數(shù)字處理器的功耗與電壓的平方成正比，因此動態(tài)電壓估量也可用于CPU。如果 CPU 在待機或某些其它功能減少的模式下能夠以較低的頻率繼續(xù)操作，則可降低其電壓，以降低功耗、提高效率并延長電池使用壽命。例如，假設(shè)OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 鋰離子電池輸入的 TPS62200 來進行供電，其特性如下：
　　無 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout = 1.5V @ 300uA
　　效率 = 93%
　　具有 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout = 1.1V @ 250uA
　　效率 = 93%
　　AWAKE （PWM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout= 1.5V @ 100mA
　　效率 = 96%
　　假設(shè)用法配置為 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠，可以將輸出電源與時