- 智能手機(jī)電源系統(tǒng)概述
- 智能手機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 根據(jù)需要選擇不同類型電池
- 以不同器件為基礎(chǔ)的電源拓?fù)?/strong>
- 使用不同整合程度的電源組件
早期的行動(dòng)電話不是體積笨重龐大,就是必須受到汽車電池的束縛,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,今天的行動(dòng)電話已變得非常輕巧,除了電話功能,它們還會(huì)做許多事。新型3.xG智能型手機(jī)把傳統(tǒng)的2G行動(dòng)電話和多種其它功能結(jié)合在一起,包括PDA、數(shù)字相機(jī)、音樂播放機(jī)（MP3）以及全球定位系統(tǒng)（GPS）。如此多元的功能需要許多零件,其中絕大多數(shù)的電源電壓并不相同,電流需求則不斷增加,使得它們需要更多電力。(圖一)是從2G語(yǔ)音電話升級(jí)到3G視訊電話后,功率需求增加的估計(jì)值。
圖一功耗值
在此同時(shí),消費(fèi)者卻想要更精巧的手機(jī)。本文介紹兩種電源管理系統(tǒng),它們可以協(xié)助智能型手機(jī)設(shè)計(jì)人員在彼此沖突的目標(biāo)間取得平衡,例如將封裝減至最小,同時(shí)支持更大的功率需求;實(shí)現(xiàn)最佳效率,讓電池提供最長(zhǎng)的使用時(shí)間;以及將電源噪聲和漣波降至可接受水平,以支持新世代的行動(dòng)電話。
選擇電池
選擇充電電池是電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要工作之一,鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實(shí)際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270～300Wh/l,單位重量蓄電量為110～130Wh/kg,都高于鎳氫電池的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同樣蓄電量下,鋰離子電池的體積和重量都小于鎳氫電池;另外,鋰離子電池的3.6V工作電壓也高于鎳氫電池的1.2V。
行動(dòng)電話的多數(shù)功耗都來(lái)自于1.2V和3.3V電源,要讓交換式電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最大工作效率,較有效的方法通常是從高電壓轉(zhuǎn)換至低電壓,而不是從低電壓轉(zhuǎn)換至高電壓,因此鋰離子電池是最佳選擇。
要讓充電電池提供最長(zhǎng)使用時(shí)間,適當(dāng)?shù)碾姵毓芾砗涂刂凭惋@得格外重要。電池管理包含三個(gè)部份：充電控制、電池監(jiān)視和電池保護(hù)。從使用外接導(dǎo)通組件的線性控制器開始,到內(nèi)建開關(guān)組件且效率更高的交換式控制器,充電控制組件已有長(zhǎng)足進(jìn)步。電池充電器必須處理500mA到1500mA范圍內(nèi)的電流,以便提供快速的充電周期時(shí)間。
電池監(jiān)視和保護(hù)組件通常都與電池封裝在一起,電池監(jiān)視組件可以是簡(jiǎn)單的「電荷計(jì)量器」（coulombcounter）,由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池剩余電力;也可以是內(nèi)建微控制器的電池電力量測(cè)組件（gasgauge）,由它透過(guò)DSP與處理器之間的簡(jiǎn)單界面,直接提供剩余電力、剩余供電時(shí)間、電池電壓、溫度和平均電流量測(cè)值等資料。
電源拓樸
接著,設(shè)計(jì)工程師必須決定電源轉(zhuǎn)換組件的種類,它或許是以電感為基礎(chǔ)、并且內(nèi)建FET開關(guān)的交換式電源轉(zhuǎn)換器、無(wú)電感的交換式電源轉(zhuǎn)換器（電荷泵浦）或是線性穩(wěn)壓器。這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)點(diǎn)。就效率而言,以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器擁有最高的整體效率,其次是電荷泵浦,最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常反比于效率,因此線性穩(wěn)壓器成本最低,然后是電荷泵浦,最后則是以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器。
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線性穩(wěn)壓器沒有輸出漣波,電荷泵浦有一些輸出漣波,交換式穩(wěn)壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個(gè)解決方案的體積來(lái)看,線性穩(wěn)壓器的體積最小,通常只需輸入和輸出電容,電荷泵浦除了輸入和輸出電容外,還需一顆或兩顆「飛馳」（flying）電容,交換式穩(wěn)壓器則需要電感器,因此其封裝體積會(huì)有很大差異。
無(wú)論DSP或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等數(shù)字零件,或是電源管理系統(tǒng)等模擬零件,2G電話幾乎不提供任何的功能整合,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在發(fā)展電源管理系統(tǒng)時(shí),通常會(huì)以成本和體積為優(yōu)先考慮,而不是轉(zhuǎn)換效率。線性穩(wěn)壓器只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成更低的輸出電壓,因此電池電壓必須高于3.3V,此時(shí)可利用低電流或中電流的線性穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,以便提供電力給至2.8V范圍內(nèi)的其它電源需求。
在3G芯片組中,基頻處理器現(xiàn)已包含DSP、微處理器／微控制器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器,用來(lái)控制射頻訊號(hào)和音頻訊號(hào)處理。這顆處理器的核心電壓已降至1.2V或是更低,I/O和外圍電壓也開始減少至2.5V至3.0V范圍;由于3.xG電話的電流需求通常都超過(guò)2.G電話,3.xG設(shè)計(jì)人員需要效率高于線性穩(wěn)壓器的直流電源轉(zhuǎn)換器,以便提供更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。為進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命,許多設(shè)計(jì)人員必須盡量利用鋰離子電池電力,直到其電壓降至最小值為止;在此過(guò)程中,如何產(chǎn)生3.3V電壓就變成一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
從表面上來(lái)看,設(shè)計(jì)人員若能繼續(xù)使用電池直到2.7V,并利用正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器或是SEPIC轉(zhuǎn)換器提供3.3V電源,可攜式裝置的電池壽命就會(huì)大幅延長(zhǎng),但是根據(jù)(表一)針對(duì)600mAh電池所做的簡(jiǎn)單分析可發(fā)現(xiàn)情形并非如此,因?yàn)闊o(wú)論是采用效率更高的降壓轉(zhuǎn)換器,并將電池使用到3.3V,或是采用SEPIC之類的轉(zhuǎn)換器,并將電池電力完全用盡,這兩種方式的供電時(shí)間幾乎沒有任何區(qū)別。
表一60mAh電池分析
除此之外,無(wú)論是使用兩顆電感的SEPIC轉(zhuǎn)換器,或是某些效率更高的新型正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器,它們的成本都更高,因此在做整體評(píng)估時(shí),只使用3.3V以上的電池電力,然后利用高效率交換式電源轉(zhuǎn)換器提供3.3V電源的方法不但更有效率,還可能是更具吸引力的選擇。以下介紹的離散解決方案就是使用降壓轉(zhuǎn)換器提供3.3V電源,整合式解決方案則采用SEPIC轉(zhuǎn)換器。
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系統(tǒng)概述
不同的智能型手機(jī)零件有著不同的電源需求,(圖二)是行動(dòng)電話中需要電源的主要零件簡(jiǎn)單方塊圖,例如射頻單元的壓控振蕩器（VCO）以及鎖相回路（PLL）就需要極低噪聲和很高電源拒斥比的電源,確保它們提供最高的傳送和接收效能,因此雖然線性穩(wěn)壓器的效率不高,但由于它沒有輸出漣波,所以是這類電源供應(yīng)的最佳選擇;同樣重要的是將直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率,還有它們的二階和三階諧波,都保持在中頻頻帶之外。
由于DSP和中央處理器的核心電壓已降至1V左右,以電感為基礎(chǔ)的高效率交換式降壓轉(zhuǎn)換器是理想選擇。至于屏幕背光照明所使用的白光二極管,其電源可來(lái)自電荷泵浦或電感式升壓／降壓轉(zhuǎn)換器。
圖二智能型手機(jī)電源方塊圖
動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整（DynamicVoltageScaling）
從圖一可看出,電源需求最高的兩顆零件是在射頻單元,分別是發(fā)射機(jī)的功率放大器和基頻處理器。隨著電話與基地臺(tái)之間的距離不同,功率放大器在通話過(guò)程中最多消耗75％的總功耗,待命模式則只有30％。采用非線性功率放大器的舊型GSM電話發(fā)射機(jī)的典型工作效率約為50％,但是WCDMA等較新標(biāo)準(zhǔn)卻同時(shí)需要振幅及相位調(diào)變,這只有工作效率在25％至35％之間的線性放大器可以提供。
除此之外,CDMA20001x手機(jī)的正常基頻處理器負(fù)載需求是在60至120mA范圍,因此提供最有效率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。
動(dòng)態(tài)／可適性電壓調(diào)整技術(shù)（DVS/AVS）與高整合度組件所使用的方式很類似,它會(huì)把閉回路系統(tǒng)中的處理器和穩(wěn)壓器連結(jié)在一起,并在確保系統(tǒng)正常工作的情形下,將數(shù)字電源供應(yīng)的輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整至最小值。功率放大器會(huì)被最佳化,使它在最大傳送功率下?lián)碛凶罡咝省Ｓ捎诮^大多數(shù)手機(jī)都在基地臺(tái)附近工作,手機(jī)的無(wú)線電功能會(huì)在維持通訊質(zhì)量的前題下,將傳送功率降至最低水平。當(dāng)功率放大器在較低的功率水平下工作時(shí),它的效率會(huì)受到影響,從(圖三)可以看出,利用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)來(lái)調(diào)整功率放大器的電壓,它的工作效率會(huì)增加10％至20％。
圖三功率放大器效率
數(shù)字處理器的功耗正比于電壓平方,因此中央處理器也能采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù);當(dāng)中央處理器進(jìn)入待命模式或其它功能精簡(jiǎn)模式,它就能在較低的頻率頻率下工作,此時(shí)可將處理器電壓降低,以便減少功耗,提升工作效率,延長(zhǎng)電池壽命。
就以O(shè)MAP1510為例,假設(shè)它的電源是由TPS62200供應(yīng),并使用1安培小時(shí)的3.6V鋰離子電池輸入,其它特性包括：
●睡眠模式（TPS62200采用PFM調(diào)變）未用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整：Vout=1.5V@300µA;效率=93％
●正常工作模式（TPS62200采用PWM調(diào)變）：Vout=1.5V@100mA;效率=96％
假設(shè)此組件95％時(shí)間處于睡眠模式,5％時(shí)間處于正常工作模式,則從輸出功率與時(shí)間的關(guān)系圖可看出,將動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)用于睡眠模式,電池壽命會(huì)最多延長(zhǎng)9個(gè)小時(shí)。
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離散解決方案
(圖四)是利用離散組件實(shí)作的電源管理系統(tǒng),電池電壓限制為3.3V。
圖四利用離散組件實(shí)作的電源管理系統(tǒng)
在這個(gè)解決方案中,就算鋰離子電池下降至3.3V左右,在100％負(fù)載周期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉(zhuǎn)換器仍能提供3.3V的I/O電壓。上述所有零件都采用SOT-23封裝,除了bq24020電池充電組件、TPS61020升壓轉(zhuǎn)換器以及TPS61042白光二極管驅(qū)動(dòng)組件之外,它們是采用3×3平方厘米的QFN封裝。TPS61040和TPS61042還內(nèi)建上端FET晶體管,每顆組件只需要一個(gè)外接二極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020和線性穩(wěn)壓器組件全都內(nèi)建FET晶體管,功率放大器和中央處理器電源采用的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以提高每顆零件的效率,進(jìn)而協(xié)助降低功耗。
整合解決方案
最新制程技術(shù)使得工程師更容易結(jié)合、迅速修改以及／或是利用現(xiàn)有的離散組件設(shè)計(jì),以便提供不同整合程度的半導(dǎo)體芯片,例如通用的雙通道交換式轉(zhuǎn)換器和電源拒斥比很高而噪聲很低的雙信道線性穩(wěn)壓器、特殊應(yīng)用白光二極管的電源供應(yīng)以及行動(dòng)電話、PDA和數(shù)字相機(jī)的多電源管理解決方案,這些產(chǎn)品都已開始供應(yīng)。專門支持終端設(shè)備的電源組件則會(huì)內(nèi)建各種外圍,其范圍從行動(dòng)電話的響鈴器和蜂鳴器到PDA的通用I/O接腳,例如圖四整合解決方案所使用的TPS65010就是這類組件。
圖五整合式解決方案
在此解決方案中,3.3VI/O電源是由SEPIC轉(zhuǎn)換器提供,它讓應(yīng)用系統(tǒng)能充份利用鋰離子電池電力,直到電池電壓降至最低水平（大約2.7V）。和離散解決方案一樣,穩(wěn)壓器輸出也來(lái)自3.3V輸入電源,以便提高工作效率。TPS65010采用48只接腳QFN封裝,這些組件都內(nèi)建FET晶體管。TPS61130SEPIC轉(zhuǎn)換器采用4×4平方厘米QFN封裝,并且內(nèi)建FET晶體管,最高達(dá)到90％以上效率,TPS5100則是三通道輸出控制器,專門用來(lái)提供電源給顯示器。功率放大器和中央處理器電源使用的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)可以改善每顆零件的效率,進(jìn)而協(xié)助降低功耗。
離散或整合？
如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇？一般說(shuō)來(lái),整合組件的成本會(huì)低于同樣等級(jí)的多顆離散零件;除此之外,如同(圖六)的電路板布局所示,相較于執(zhí)行同樣功能的多顆離散零件,TPS65010以及與其搭配的被動(dòng)零件只需較少的電路板空間,這主要是因?yàn)殡x散零件之間需要額外空間來(lái)容納訊號(hào)線路。由于TPS65010還包含原來(lái)由離散零件提供的其它功能,例如電源供應(yīng)順序、振動(dòng)器和二極管驅(qū)動(dòng)組件,因此整合解決方案可以節(jié)省更多電路板面積。
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圖六TPS65010與同等級(jí)離散解決方案的電路板布比較
整合組件過(guò)去主要支持特殊應(yīng)用,彈性也不是很高,因此在設(shè)計(jì)流程后期,它們就無(wú)法再進(jìn)行重大的設(shè)計(jì)變更。然而新的制程技術(shù),包括支持可程序輸出電壓以及封裝后調(diào)整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡(jiǎn)單快速的對(duì)現(xiàn)有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重復(fù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。另一方面,整合組件的供貨商通常只有一家,這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。
未來(lái)挑戰(zhàn)
消費(fèi)者想要操作時(shí)間更長(zhǎng)的智能型手機(jī),新發(fā)展的半導(dǎo)體制程技術(shù)已能減少泄漏電流和阻抗（有時(shí)透過(guò)銅覆蓋層）,使得FET晶體管的靜態(tài)電流更低,導(dǎo)通阻抗也變得更小。然而不同于持續(xù)進(jìn)步中的半導(dǎo)體技術(shù),電池技術(shù)卻沒有任何重大進(jìn)展,無(wú)法在不增加電池體積的情形下延長(zhǎng)供電時(shí)間。
電容器技術(shù)的某些進(jìn)展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊,許多可攜式產(chǎn)品已開始使用高能量超級(jí)電容器（supercapacitor）,做為消費(fèi)者更換電池時(shí)的暫時(shí)電力來(lái)源;另外,高能量暨高功率的超高電容器（ultracapacitor）還能在短時(shí)間內(nèi)提供很大電流,讓電池不必瞬間供應(yīng)龐大電力,可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。這些超高電容器會(huì)整合至電池封裝內(nèi),并在系統(tǒng)電力需求不太高時(shí),利用微小電流充電。
燃料電池近來(lái)是熱門話題,但由于外形包裝尚未標(biāo)準(zhǔn)化,使得燃料電池的廣泛應(yīng)用受到影響,商業(yè)化過(guò)程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時(shí)響應(yīng)也很糟糕,因此至少在最初階段燃料電池只會(huì)做為普通電池的補(bǔ)強(qiáng)裝置,無(wú)法取代普通電池。
消費(fèi)者還希望產(chǎn)品的體積更小,功能更加強(qiáng)大,創(chuàng)新的電源管理組件設(shè)計(jì)以及封裝和制程技術(shù)的進(jìn)步都能幫助實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。日益精密的制程技術(shù)可以制造出越來(lái)越小的FET晶體管,讓晶粒和封裝的體積更小,工作電壓更低,閘極電容更少,使得晶體管的開關(guān)速度更快
—對(duì)于以電感為基礎(chǔ)的交換式電源供應(yīng),更快的開關(guān)速度意味著更小的電感。新封裝技術(shù)則能在更小的封裝中容納更多功能,并且承受更大的功耗,例如內(nèi)建FET開關(guān)的鋰離子電池線性充電組件bq24010就采用3×3平方厘米的QFN封裝,它在普通室溫環(huán)境下,最高能承受1.5W功耗。
要在較低的工作電壓下提供更強(qiáng)大功能,電源管理單元和低噪聲布局的容忍要求通常也會(huì)變的更嚴(yán)格,例如系統(tǒng)若要求1.2V電源的誤差小于±3%,就表示輸出電壓變動(dòng)幅度不能超過(guò)±36mV;相形之下,使用3.3V電源就表示在同樣的±3%誤差限制下,它能容忍的電壓變動(dòng)高達(dá)±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)于誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉(zhuǎn)換器的需求將會(huì)增加。除此之外,隨著封裝縮小,可供散熱的面積也會(huì)減少,讓這些高功耗組件的熱管理繼續(xù)成為困難挑戰(zhàn)。
整合的力量
本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源組件。把部份或全部的模擬電源組件和基頻處理器等數(shù)字零件整合在一起會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn),包括節(jié)省更多的電路板面積,并且降低總成本。復(fù)雜電子系統(tǒng)的每個(gè)部份都有著不同的需求,這是過(guò)去實(shí)現(xiàn)更高階數(shù)字和模擬零件整合的障礙之一,例如數(shù)字基頻單元需要高密度制程以支持?jǐn)?shù)字訊號(hào)處理,模擬基頻和電源功能需要電壓更高的組件;射頻單元,特別是鎖相回路,則需要最適合支持高頻操作的BiCMOS組件。
傳統(tǒng)上,制程發(fā)展是由數(shù)字設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)管理,他們通常只會(huì)推動(dòng)高密度制程發(fā)展,電路若需要高電壓組件,就必須采用不同制程,這表示他們需要獨(dú)立的數(shù)字組件。半導(dǎo)體廠商不但開始發(fā)展「最小閘極長(zhǎng)度」更短的BiCMOS制程,以便提供很高的組件密度和工作速度,還有更高電壓的汲極延伸型組件（drainextendeddevices）,它們已用于更多的模擬和電源應(yīng)用。包括電源管理在內(nèi)的許多模擬和數(shù)字功能最后都會(huì)整合成單顆芯片。
不同程度的組件整合正在簡(jiǎn)化可攜式電源設(shè)計(jì),尤其是可攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,他們不必再擔(dān)心組件的電源需求管理,整合程度不同的電源管理組件可以幫助他們讓電池提供最長(zhǎng)供電時(shí)間,同時(shí)將電路板面積和成本減至最少。
