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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

作者: 時(shí)間:2008-02-01 來源: 收藏

多功能的新一代巳在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)廣泛使用。新一代手機(jī)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(jī)型號(hào)還包含了調(diào)頻(FM)收音機(jī)、MP3播放器、甚至分辨率較高的數(shù)碼相機(jī)等。 無論其功能如何,對(duì)消費(fèi)者而言,總是期望在手機(jī)不增加尺寸的情況下提供持久的電池壽命。即在一個(gè)更狹小的機(jī)匣之中既能具有更多功能同時(shí)又只消耗更少功率。這樣給電源管理設(shè)計(jì)提出了極為苛刻的要求。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/78578.htm

為了應(yīng)對(duì)桃戰(zhàn),制造商必須解決以下新課題:
1、堅(jiān)持開發(fā)出更小巧、更高性能的電源方案——(PM);
2、在(PMIC)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)的配套的最佳選擇。而本文將就如何選擇新型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(jī)均有心臟部分——電源管理器IC(PMIC)。其PMIC主要承擔(dān)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(chǎng)占主導(dǎo)地位的一些模擬半導(dǎo)體廠商能提供PMIC的定制和半定制的標(biāo)準(zhǔn)器件,這些器件通常是采用針對(duì)混合信號(hào)和電源產(chǎn)品優(yōu)化的5V亞微米的Bi(雙極)CMOS工藝,而手機(jī)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(duì)此,建議還是采用一些較為適中的方案,如圖1所示MAX1502標(biāo)準(zhǔn)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(jì)會(huì)更省錢或更?。?
2、該單元可能會(huì)因技術(shù)的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設(shè)計(jì)版本中發(fā)生變化;
3、該單元可能在不同的平臺(tái)上不通用;
4、該單元可能會(huì)給研發(fā)進(jìn)度帶來過分的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)/風(fēng)險(xiǎn);
5、該單元可能會(huì)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(dāng)這種集成方案被大批量的手機(jī)普遍接受時(shí)。風(fēng)險(xiǎn)可以通過隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)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 內(nèi)部一般會(huì)用到5至12個(gè)獨(dú)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(dāng)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(gè)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(duì)噪聲過于敏感;或者用來驅(qū)動(dòng)一些非標(biāo)單元,如集成數(shù)碼相機(jī)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(jìn)的設(shè)計(jì)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(gè)300MA的LDO,SOT23封裝的兩路150MA LDO或微型SC70封裝的單個(gè)120MA LDO,兼有標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的晶片級(jí)封裝(UCSP)提供了最大可能的細(xì)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(shí)又提供更高的熱傳導(dǎo)能力。因此,QFN封裝可實(shí)現(xiàn)更高電流的LDO和每個(gè)封裝具更多數(shù)量的LDO。其中可包含3個(gè)、4個(gè)甚至5個(gè)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(jiǎn)單、小尺寸等特點(diǎn),其主要缺陷是效率較低,特別是為低壓電路供電時(shí)效率問題更加突出。由于在新一代內(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(yùn)算能力更加強(qiáng)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?fù)p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(jì)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(jī))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(jì)經(jīng)驗(yàn),還需要一定的獨(dú)創(chuàng)能力。就目前來說,只有少數(shù)幾家領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)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(chǎng),buck轉(zhuǎn)換器還被用于驅(qū)動(dòng)CDMA射頻功率放大器(PA)之中,它會(huì)隨著終端與基站之間距離的改變,動(dòng)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(jí)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(guó)際上少數(shù)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)和一些先進(jìn)的WCDMA廠商的先期工作,當(dāng)今韓國(guó)、美國(guó)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(jìn)行測(cè)試或設(shè)計(jì)。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(diǎn),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(gè)分離的低導(dǎo)通電阻Rds(on)P溝道MOSFET,而其在高發(fā)送功率時(shí)直接由電池驅(qū)動(dòng)PA。為了進(jìn)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(gè)附加的FET(MOS場(chǎng)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(shì)。為此在帶有彩色顯示屏的無線手機(jī)中,特別是白色LED因其電路簡(jiǎn)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?zé)?。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(jì)),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(jī)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(gè)手機(jī)內(nèi)總共用到了16只LED,它們?nèi)慷夹枰懔黩?qū)動(dòng)。

由于數(shù)年前,第一代彩顯手機(jī)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(dòng)PA所省下的40MA電流被白白浪費(fèi)了。如今。大多數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)需要許多引線。由于LED電源的市場(chǎng)非常大,為此,許多性能價(jià)格比高的IC被設(shè)計(jì)出來用于此目的,但設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(hù)。 現(xiàn)在一些PMIC包括一個(gè)白色LED電源,但通常不能驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器或相機(jī)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(huì)帶來很大輸入紋波。

那如何解決? 據(jù)此,在設(shè)計(jì)中常常采用一個(gè)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(jī)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(jì)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(jī)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(dāng)白色光LED正向電壓高于電池電壓時(shí)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L(zhǎng)ED提供偏置,這種方案存在兩個(gè)缺陷:首先,白光LED較寬的正向電壓變化范圍會(huì)造成較大的偏置電流變化、導(dǎo)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?qǐng)D3中配置,可直接為白光LED提供穩(wěn)定的偏置電流,為多個(gè)并聯(lián)LED提供偏置時(shí)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(gè)“電源正常”(POK)輸出,告知微處理器白色LED背光是否己準(zhǔn)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(dāng)Vin=3.6V時(shí))。 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(gè)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(jī)都用簡(jiǎn)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(jiǎn)化設(shè)計(jì),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(gè)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(shí)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(shì)大打折扣因?yàn)榧墒匠潆娖骱苋菀淄ㄟ^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(xué)類型或容量。

應(yīng)該說隨著蜂窩電話型號(hào)與功能的增多,其對(duì)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(jì)人員當(dāng)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。

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