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新的3.xG智能電話將傳統的2G蜂窩式電話功能與PDA的功能特色結合起來，并包容了數碼相機、音樂播放器(MP3)以及全球定位系統。種類如此之多的功能，離不開為數眾多的元器件。它們中的大多數有著不同的電源電壓要求，而且消耗的電流越來越多，要求更大的功耗。 同時，消費者希望電話越來越小。本文將給出兩種電源管理系統，它們將有助于系統設計者在最新一代蜂窩式電話的相互矛盾的目標間尋求恰當的平衡——功耗要求不斷上升；外形應盡可能地小；效率要最優化以延長電池工作時間；電源軌噪聲/紋波要保持在可接受的范圍之內。圖1示出從2G話音電話發展到3G視頻電話時對功耗需求的增加幅度的估計。 電池的選擇 設計一個電源管理系統的首要任務之一，是選擇一個可重新充電的電池。目前，唯一的兩種現實的選擇是NiMH和鋰離子電池。鋰離子電池的能量密度單位體積和重量(典型值為270"300 Wh/l和110"130 Wh/kg)一般高于NiMH(220"300 Wh/l和75"100 Wh/kg)。因此，如果儲能相同，鋰離子電池尺寸將更小，而重量也小于同級的NiMH電池。此外，鋰離子電池的3.6V工作電壓亦高于NiMH的1.2V。 蜂窩電話的大部分功率消耗在1.2V和3.3V電壓軌上。在提高開關變換器的效率方面，從一個較高的電壓降壓、獲得較低的電壓，相應的效率要高于從較低的電壓軌變換為高壓的情況。因而鋰離子電池是最佳的選擇。 圖1 功耗分析 電池的管理 可充電電池的管理對于延長電池壽命來說極為關鍵。電池管理包括3個部分：充電管理、電池監測和電池保護。充電管理IC已經獲得了巨大的發展，從帶外部無源元件的線性控制器進化為更有效的、基于開關模式、集成了開關的控制器。電池充電器必須承受500mA"1500mA范圍內的電流，以實現快速的再充電。電池監測和保護IC一般與電池封裝在一起。電池監測IC可以簡單到采用“庫侖計數器”的形式(在這種情況下，必須由CPU來計算余下的電池壽命)，也可以采取帶集成微控制器的電量計的形式，它可以提供剩余容量、距電力耗盡剩余的時間、電壓、溫度和平均電流等方面的測量信息，并通過一個簡單的通信接口與DSP/CPU實現直接的通信。 電源的結構 設計者必須確定功率IC的種類—帶集成FET、基于電感的開關式變換器、無電感的開關式變換器(或者電荷泵)亦或線性的穩壓器。 就效率而言，基于電感的開關式器件具有最高的總體效率，接下來分別是電荷泵和線性穩壓器。成本通常與效率成反比，線性調壓器是最便宜的，電荷泵其次，而基于電感的開關電源最貴。線性穩壓器沒有輸出紋波，而電荷泵存在一定的輸出紋波，開關器件的輸出紋波則是三者中最高的。就解決方案的總尺寸而言，線性穩壓器是最小的，一般只需一個輸入和一個輸出電容。電荷泵除了輸入和輸出電容外，還需要附加一個或兩個“飛線”電容。開關電容則需要一個電感，其大小與封裝尺寸有關。 在2G電話中，數字器件(如DSP和ADC)或模擬器件(如功率管理系統)的集成化程度很低。設計電源管理系統時，系統的設計者一般優先考慮成本和尺寸，然后才是效率。由于線性穩壓器只能降低其輸入電壓，故電池在其電壓跌落到3.3V以后就不能工作了。過去，一般選用低到中等電流的線性穩壓器來將電池的電壓變換為2.8V"3.0V范圍內的電源軌。 在3.xG電話芯片組中，基帶處理器如今包括一個DSP、一個微處理器/控制器、控制RF的ADC和DAC，以及音頻信號處理電路。處理器的核心電壓降到了1.2V，甚至更低，而I/O和外設的電壓則降到了2.5V"3.0V的范圍之內。由于3.x G電話電源軌的電流要求一般高于2G電話，故3.xG 設計者需要效率超出線性穩壓器的DC/DC轉換器，以保證更長的電池壽命。 為了進一步延長電池的壽命，很多設計者需要讓鋰離子電池電壓降到2.7V最終電壓。在這種實現方案中，一個3.3V的軌電壓的產生是一大挑戰。如果設計者將電池的可用范圍擴展到2.7V，而采用正向降壓－升壓或者SEPIC變換器來提供所需的3.3V電壓軌，那么，似乎很有可能會大大延長電池的工作時間。但對一個600mAh電池的分析(見表1)卻表明，這并不成立。利用SEPIC型變換器來充分挖掘電池的容量，而不是在3.3V處停止電池的使用并采用效率更高的升壓變換器，那么，即使能延長一點電池的使用時間，延長的量也很短。 此外，考慮到雙電感SEPIC變換器的成本將會更高，采用高效率的開關式降壓變換器提供3.3V的電壓軌，也是一種有效的、可能更有吸引力的選擇。因此，下面給出的分立的解決方案將采用降壓變換器來提供3.3V電壓軌，而集成化的解決方案將采用SEPIC 變換器來提供3.3V電壓。 系統概況 智能電話中的不同部件有著不同的電源要求。圖2示出了蜂窩電話中主要組成部分的電源需求。例如，RF部分的VCO和PLL需要噪聲極低的電源電壓和很高的電源抑制能力，以確保最好的發射和接收性能。所以，雖然效率很低，線性穩壓器仍是其電源的最佳選擇，因為它沒有輸出紋波。 讓DC/DC變換器的開關頻率及其2次和3次諧波處于IF頻帶之外也很重要。由于DSP/CPU核心電壓已經降低到了1V，高效率的基于電感的開關型降壓電源就變得有意義了。用于屏幕背光照明的LED可以通過一個電荷泵或者基于電感的降壓/升壓變換器來供電。 動態電壓調節 圖1表明，在功耗中所占比例最大的部分是RF(主要是發射機部分的PA，即功率放大器)和基帶部分的處理器。PA消耗的功率與電話和基站間的距離有關，所占總功率的比例可以從通話時的75％變化到待機模式時的30%。較早的采用非線性PA的GSM電話的發射機，其典型的效率約為50％。而較新的標準，如WCDMA，則同時需要幅值和相位調制，此時，只有效率為25%"35%的線性PA才能提供如此的功能。此外，通常的CDMA2000 1x電話的基帶處理器負載的要求在60"120mA范圍內。因此，設法保證PA和處理器的電源效率，就顯得極為關鍵。 與在大規模集成電路中所用的技術相似，動態/自適應電壓調節(DVS/AVS)可以將處理器與穩壓器連接成一個閉合回路系統，它可以將數字電源的電壓調整到正常工作所需的最低水平。PA是按照在最大發射功率下保證最高的效率來優化的。由于大多數手機是在距離基站較近的位置處工作的，故手機的無線RF部分將發射功率降低到維持通話品質所需的最低功率水平上。功率水平較低時，PA的效率變差。 圖3 表明，通過采用動態電壓調節和調整功率放大器的電壓，可以將效率提高10%"20%。 圖3 功率放大器的效率 由于數字處理器消耗的功率與電壓的平方成正比，故動態電壓調節技術也可以應用于CPU。在處于待機或者某些其他功能減弱的模式時，CPU可以在更低的頻率下工作，于是電壓可以降低到相應較低的功耗水平上，從而實現更高的效率和更長的電池壽命。舉例來說，考慮一個由TPS62200降壓變換器驅動的、電源為3.6V/1Ahr的鋰離子電池的OMAP1510芯片，其特性如下： 深度休眠 (TPS62200 in PFM) 無DVS時: Vout=1.5V?mA 效率= 93% 深度休眠 (TPS62200 in PFM) 帶DVS時，Vout=1.1V?mA 效率=93% 蘇醒狀態(TPS62200 in PWM): Vout=1.5V?mA 效率=96% 假如使用的模式是5％的“蘇醒”和95％的“深度休眠”，輸出功率與時間的關系表明，深度休眠狀態下DVS的采用，使電池的壽命延長了9小時。 分立的解決方案 圖4示出一種基于分立IC、電池電壓限為3.3V的電源管理系統。在本方案中，以100％占空比工作的降壓變換器使得電壓快跌落到3.3V以下的鋰離子電池也能提供3.3V的I/O軌。功率放大器和CPU電源電壓軌的動態電壓調節技術通過提高每一種元件的效率而降低了功耗。 圖4 采用分立的IC實現的電源管理系統 集成化的解決方案 最新的工藝技術大大方便了現有的基于分立IC的設計的集成、快速修改和/或利用，以提供不同層次的集成化IC。例如，現在已經開始提供的有：通用型雙重開關變換器IC和雙重高PSRR、低噪聲線性穩壓器，專用白光LED電源，蜂窩電話、PDA和數碼相機多軌電源管理系統解決方案。圖5所示的集成解決方案中，面向最終設備的電源IC帶有集成的外設。 在本解決方案中，3.3V I/O軌由一個SEPIC變換器提供，它可以讓鋰離子電池供電電壓降到最低的水平(約2.7V)。與分立式的解決方案相同的是，穩壓器提供的電壓軌從3.3V獲得，以提高效率。PA和CPU電源軌的動態電壓調節有助于通過每一部件效率的提高來降低功耗。 分立還是集成? 一般說來，集成化的IC比多個額定指標相同的IC要便宜。此外，集成化的IC占用的電路板面積要少于執行相同功能的分立IC設計。集成的IC還可以包括原來由分立IC提供的電源軌、振動和LED驅動的順序控制等一些功能。 過去，集成化的IC高度專用化，沒有很大的靈活性。因此，它們不能滿足設計循環的后期階段出現的較大改動。然而，新的制造工藝技術，包括為了輸出電壓軌編程控制和封裝后修調而集成的E2PROM，使得對現有IC(如固定的輸出電壓不同)的“仔細調整”變得更加容易、快速和便宜。另一方面，一個集成化的IC通常沒有第二個供應源，這也使得人們不得不采用分立的解決方案。 集成的優勢 上述的電源解決方案采用了集成化程度不同的電源IC。將模擬電源IC的一部分或者全部與數字部件(像基帶處理器)集成起來，將帶來更大的PCB空間節約和總體成本的降低。過去，阻礙更高層次上的數字和模擬部件的集成因素，是復雜的電子系統的每一部分各不相同的要求。數字基帶部分需要高密度的處理能力以實現數字信號處理，而模擬基帶和電源部分需要采用電壓更高的器件。RF部分(具體說來是PLL)需要采用針對高頻工作而進行了優化的BiCMOS器件。 過去，數字電路的設計者負責工藝的開發，僅僅追求高密度的工藝，故需要大電壓的器件只能在不同的工藝中實現，這樣便需要獨立制作數字IC。近來，半導體制造商們不但已經開發出單一化的、采用了更細柵長(以實現高密度和高速度)的BiCMOS工藝，而且還能實現承受更高電壓的、針對更多模擬和電源應用的器件。最終，很多數字和模擬功能，包括電源管理、都將集成到單塊芯片上。 未來的挑戰 如今的消費者需要功能更豐富、充電工作時間更長的智能電話。新開發的IC 制造工藝能保證更低的漏電流和更小的電阻。這就意味者FET的靜態電流和導通電阻更低，最終，這會帶來效率更高的電源IC。 不過，與不斷變化的半導體技術不同，電池技術還沒有進步到不增大尺寸就可以實現更長壽命的程度。 最近，電容器開發方面的進展正在讓可充電電池和電容之間的界線變得模糊起來。高能超級電容目前正用于在插拔電池時驅動便攜式裝置。高能量、大功率的超電容可以在很短時間內提供很大的電流，因此，可以用來代替電池發出能量脈沖。這些超電容在靜態下逐步完成充電，已經集成到電池組中。 有人也在談論燃料電池，不過，目前一次性使用的料罐還沒有標準化。此外，燃料電池的瞬態輸出響應較差。至少在初期，燃料電池只能作為一種電池的補充手段而非電池的替代品引入市場。 不過以更低的工作電壓實現更高的功能，一般也需要更多的容限要求，而且需要低噪聲電路設計。例如，在1.2V電壓軌下保證±3%的容限，就需要讓輸出的變換不要超過±36mV，而在3.3V電壓軌下，保證±3%的容限則意味著電壓的變化可以為±99mV 。因此，對于容限更小、電流更大、效率更高、EMI極低而封裝很小的DC/DC變換器的需求在未來幾年內將出現上升。 結語 不同水平的IC集成正在簡化便攜式電源電子產品的設計。具體來說，便攜式電子產品的系統設計者們無需擔心其裝置的電源管理問題。集成化程度不同的電源管理將幫助他們最大限度提高電池工作時間，而占用的電路板面積最小，成本最低。 |
