蜂窝电话电源管理方案

     （华强电子世界网讯） 新一代蜂窝电话不仅尺寸大大缩小，而且集成了更多的功能，如：PDA功能，收/发电子邮件，短信服务，在大尺寸、色彩丰富的显示器上浏览互联网信息；有些模块还包含了调频(FM)收音机、MP3播放器、甚至数码相机等功能。消费者希望在不增大电池尺寸的情况下能够提供更长的待机和通话时间，在一个如此小的“盒子”内集成了更多的功能后还要保持其低功耗特性，这将需要严格的电源管理设计。
    
     电源管理IC
    
     大多数无线手持终端的核心问题最终集中到了电源管理IC(PMIC)方面，PMIC承担供电电路和其它电路(如接口、音频电路)的绝大部分任务。一些占市场主导地位的模拟生产厂商能够提供PMIC的定制、半定制或标准器件，这些器件通常采用针对混合信号和电源产品优化的5V亚微米、双极型CMOS处理工艺，手持产品中任何还没有集成到其它功能芯片内的电路都被试图集成到PMIC内，但需考虑一些制约因素，例如，在图1电路中考虑到下述原因，没有在芯片内集成某些特殊功能电路：某些电路设计在其它处理器内会更省钱、尺寸更小；随着技术的进步、客户需求的变化一些电路可能在不同的设计版本中发生变化；对于不同的平台有些电路不通用；一些电路的设计存在一定的风险或挑战，会直接影响设计进度；一些电路集成到PMIC中会存在某些缺陷，如：噪声耦合。尽可能提高电路的集成度会明显降低产品的成本、缩小系统尺寸，特别是集成那些具有极大市场潜力的手持终端内比较通用的电路，在后续设计中随着集成度的提高，风险也会逐步得到控制。
    
    
    
     低压差线性稳压器
    
     蜂窝电话内部一般会用到5至12个独立的低压差线性稳压器(LDO)，LDO的数量如此之多并不代表终端内部存在多路不同的电压，而是由于LDO除供电外，还要充当电源的通/断控制开关，提供足够的电源抑制比(PSRR)，避免噪声耦合。绝大多数LDO集成在PMIC内部，个别LDO则留在了PMIC外部，这主要是考虑到PCB板的布局、引线长度、一些特殊元件(如压控振荡器)对噪声灵敏度的要求，以及一些非标准功能模块(如集成数码相机)的供电等问题。多年以来，SOT23封装的150mA LDO是这些离散电源的最佳选择。
    
     目前，一些最新面世的IC采用新型封装、新型亚微米处理工艺和先进的设计方案，能够以更小的尺寸提供更高的性能。例如，采用SOT23封装的LDO可提供一路300mA的输出或两路150mA的输出，采用微型SC70封装的LDO可提供120mA的输出。这些产品中既具有标准器件，也具有超低噪声(10mVrms、85dB PSRR)器件，此外，更为先进的裸片级封装(UCSP)进一步缩小了离散LDO的尺寸，而QFN封装则允许在稍大一些的晶片上提供更强的散热性能，QFN封装的LDO能够提供更大的负载电流或集成更多的LDO，使得离散LDO方案与PMIC之间的区别越来越小。
    
     用于处理器核的降压型转换器
    
     LDO具有简单、小尺寸等特点，其主要缺陷是效率较低，特别是为低压电路供电时，效率问题更加突出。由于在新一代蜂窝电话内部集成了PDA功能或互联网功能，要求处理器的数据处理能力、运算能力更加强大。为了降低功耗，处理器的核电压不断降低，从1.8V降到了0.9V。为了降低电池损耗，应采用高效的降压型转换器为处理器核供电。设计中需要考虑的主要因素有：低成本、小尺寸、高效率、低静态(待机)电流和快速瞬态响应。为解决上述问题不仅需要丰富的模拟设计经验，还需要一定的独创能力。就目前来说，只有少数几家半导体制造商能够提供适当的、SOT23封装、具有1MHz(甚至更高)开关频率、允许选用微型外部电感和电容元件的降压型转换器。
    
     为射频功率放大器供电的降压型转换器
    
     在比较成熟的日本蜂窝电话市场，降压型转换器还用于CDMA射频(RF)功率放大器(PA)的供电，为PA提供的电源电压(Vcc)随着终端与基站之间的距离而改变。考虑到数据传输密度，采用降压型转换器的方案能够平均节省40-65mA的电池电流，具体取决于电源输出电压的步进值、PA特性、在城市或郊区环境中传输声音或数据。基于日本和一家欧洲WCDMA厂商的成功经验，韩国、美国和其他一些欧洲的蜂窝电话市场开始针对这种应用测试或设计开关型稳压器。降压型转换器具有小尺寸、低成本、低输出纹波和高效率等优点，SOT23封装的降压型转换器是最佳选择。为保持尽可能低的压差，这些转换器内部采用一个独立的、具有极低导通电阻(Rds(on))的P沟道MOSFET，当发送功率较高时，直接由电池为PA供电。Maxim最新推出的MAX8500系列产品集成了这一附加的MOSFET，进一步减小了系统的整体尺寸。
    
     LED的供电方案
    
     带有彩色显示屏的无线手持终端，白色LED是主要的背光源，具有电路简单、可靠性高等优势，效率高于卤素灯，但还无法与荧光灯相比。新一代蜂窝电话一般利用3-4只白色LED作为主显示屏的背光，2只白色LED用于子显示屏(折叠式设计)的背光，6只或更多的白色/彩色LED用于键盘的背光源。如果电话集成有相机，还至少需要4只白色LED用于闪光灯、MPEG影片的光源。这样，在一个手机内总共用到了16只LED，所有的LED都需要恒流驱动。
    
     第一代产于日本的彩显手机利用效率较低的1.5倍压电荷泵和镇流电阻实现LED的驱动，这种方案消耗40mA的电流，浪费掉了利用降压型转换器为PA供电节省的电流。目前，大多数设计中采用基于电感的升压转换器，可获得极高的转换效率；新推出的1倍/1.5倍压电荷泵可以获得同样高的效率，而且省去了外部电感，只是与LED连结时需要许多引线。针对这一应用存在数量众多的IC，设计中需要考虑以下因素：高效、小尺寸的外部元件、低输入纹波(防止噪声耦合到其它电路)、简单的调光接口、低成本、高可靠性(输出过压保护等)。一些PMIC包括了白色LED的供电电路，但通常不能提供多个显示器的供电，而且可能存在效率低、切换速度慢、需要较大电感/电容、输入纹波较大等问题。很多设计中采用一片单独的IC与PMIC配合工作，或直接选用集成度很高的离散方案(如MAX1582，见图2)。
    
    
    
     充电器
    
     几乎所有手机都用简单的线性充电器为3节镍氢电池或1节锂离子电池充电，这种充电器一般集成在PMIC内部，为简单起见，一般将检流电阻和调整管置于外部。采用以下措施保持可靠的热耗散：以C/4或更慢的速率充电；让墙上适配器具有一定的输出电阻，使其承受大部分压差；选用脉冲充电方式和限流型墙上适配器；利用反馈环路调节墙上适配器，使调整管上的压差保持恒定； 增加一个温度控制环路，调节充电电流，保持管芯温度恒定，这种方案只适合调整管置于PMIC内部的应用。实际应用中，选用独立的充电芯片具有一定的灵活性，但在蜂窝电话中这些优势被大打折扣，因为集成在PMIC内部的充电器很容易通过PMIC的串行接口重新编程设置，使其符合不同类型可充电电池的要求。