新一代便携式微处理器电源

     （华强电子世界网讯） 随着不断添加新的特征和能力，比如彩色LCD显示器、管理器、微浏览器、以及娱乐功能如FM调谐器、MP3播放器以及电子游戏等，便携式产品变得越来越复杂。然而，用户要求这些新的特征不会增加产品的重量或不会影响电池充电之间的操作和待机时间。解决这类矛盾的方法就是改进数字半导体制造技术，开发先进的电源管理技术。
    
     由于锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度高，功能众多的便携式设备的电池大多已从NiMH电池发展到锂离子电池。这就要求在给定的充电能力内，其体积和重量相对比较小。个人数字助理（PDA）和数码照相机（DSC），尤其在成本较低的架构中仍然采用碱性电池和NiMH电池。用户界面要求，振动电机电压要使用稳压器，LED指示灯要使用电流源以及触摸屏输入要使用ADC。这些输入的确提高了对电池的要求，但由于操作时间短，对电池的使用寿命没有显著影响。射频部分是噪声最敏感的部分，要求使用具有卓越性能的低压降线性稳压器（LDO），这种稳压器具噪声高抑制度以及低输入-输出电压差，可在2.7-4.2V的工作范围内最大化单节锂离子电池的容量。在过去几年里，射频部分的功率要求逐步改进，工作电压从2.85/3V降到2.5V，总电流需量在减少。射频部分中的唯一个例外情况就是发射功率放大器，通常直接由电池供电运行。
    
     LDO电路相对比较简单，包含一个通过元件、误差放大器/反馈电路以及参考电压。外接元件是输入和输出电容器各一个。LDO具有低噪声输出，电源波动抑制能力强，快速负载响应以及低静态电流等特点。由于通过元件在线性模式下工作，无需完全开和关，因此该架构可实现低静态电流。LDO只能降低电压，而且当Vin和Vout之间的电压差增大时，其效率较差。
    
     开关稳压器的内部电路包含高端和低端通过元件、误差放大器/反馈电路、振荡器、限流和热停机保护电路，以及各种逻辑功能。要求的外接元件包括输入和输出电容器以及电感器。电容器电容值一般为LDO电容器电容的10-20倍。开关稳压器的优点是效率高，通过正确的配置，可以降低电压。缺点是输出纹波较高，这可以通过各种技术进行控制。由于需要附加电路实现转换电路以及每个周期需要能量开关通过元件，开关稳压器的静态电流较高。PWM降压转换器的优点在输入和输出之间的电压差增大时尤为突出。
    
     如果不使用开关稳压器，那么可以选用脉冲频率调制（PFM）。PFM是高端开关，具恒定开/关时间，而低端开关时间为随机的，随反馈电压而变。脉宽调制（PWM）是以设定的频率接通高端开关，通过改变开通时间，进行稳压。由于通过元件在PFM中的转换少于PWM模式，故PFM在低负载条件下，可以显著提高系统效率。PFM模式的缺点是可能向系统注入随机噪声。由于频率成分随负载而变，很难对噪声进行过滤或屏蔽，以防其进入射频部分和PLL合成器的敏感电路。关于LDO、PFM以及PWM转换器的优缺点参见表1。无线系统使用PWM方案，因为噪声频谱是基于振荡器的固定开关频率。
    
    
     CDMA2000 1x便携式电话的标准基带处理器负载要求范围为60到120mA。当前的亚微米数字处理结构，微处理器芯片要求1.5或1.8V的电压，输入/输出缓冲器要求2.5- 3.0V的电压。近年来，数字处理器的体积日渐变小，正常操作的标准芯片电压降到1V以下，而输入/输出环节电压仍保持在2.5V以上，以支持与模拟电路的连接。当电池电压为3.6V，即单节锂离子电池的通常工作点时，开关稳压器的芯片电源效率比LDO的高一倍。只有在1.0V以下的基带处理器正常工作时两者的效率差别才增大，原因在于锂离子和锂离子聚合物的化学性质将单节电池的电压固定在2.7-4.2V的范围内。降压转换器的主要缺点是，低负载比如当手机处于待机状态时，静态电流较高，使电池使用寿命显著降低。
    
     通过当前的数字传输架构，手机接通时间小于等待呼叫时间的5%，小于通话时间的50%，比如在GSM中，标准占空比为每次发送和接收时间的12.5%。在手机工作期间，在40%~90%的时间内该设备都处于低功率待机模式。由于待机模式期间的电流消耗量通常比正常工作模式期间的消耗量低1000倍，因此，当代手机可以通过300-400小时内的备用时间指定进入低功率模式的方式。由于电流消耗如此之低，采用极低静态电流的LDO可以产生比PWM方案更高的效率。如果结合LDO在低负载下的优点和PWM在中、高负载时的高效率优点，那么可以在整个负载范围内实现最大的电池使用寿命。
    
     安森美半导体已经开发出一种混合方案，在NCP1501双PWM/线性稳压器中同时实现这些目标。图1为NCP1501的典型系统实现。正如在前面的段落所述，NCP1501具有SYNC引脚，通过与系统时钟同步来控制频率噪声的位置。图2表示在10µa到1mA范围内输入电流与输出负载间的关系。请注意LDO和PWM模式的交点出现在电流为350uA时。这相当于LDO在低负载时的高效情况。为从LDO模式转换到PWM模式，NCP1501检测转换到PWM模式之前的400 kHz以上的5个时钟周期。在这5个时钟周期内，IC的PWM部分必须唤醒和稳定参考电压和电流，确保稳定过渡到PWM模式，并以PWM模式运行。SYNC波形的上升沿将PWM模式锁定。从PWM过渡到LDO模式时，SYNC检测电路等待3微秒，尝试检测SYNC输入的上升沿。如果没有检测到上升沿，那么LDO电路加电，控制高端开关线性工作。该延迟可能使输出电压稍微降低，但很快即可恢复。
    
     便携式设备的电源管理随着新技术和工艺不断发展。五年以前，主要的变化就是从3节和4节NiMH可充电电池发展到锂离子电池。在具有无线通信能力的设备中，使用几节NiMH电池与LDO电源管理相匹配。近年来，低电压芯片的出现导致基带设计者离开LDO而采用降压稳压器，以增加电池一次充电后的使用时间。目前我们正致力于研究通过有效的电源管理，加上专用的待机模式方案，来降低待机能耗，减小静态电流。当代IC允许设计人员灵活选择操作模式和输出电压，实现最优系统配置，使效率最大化。这些技术的最终目的就是增大通话时间和待机时间，同时增加更强大的功能，以满足市场需要。