下一代手機中的電源管理分割方案
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作者：Patrick Heyer 德州儀器
時(shí)間：2008-05-30
來(lái)源：電子工程專(zhuān)輯
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如圖1所示，為不同子元件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機電池組一部分的電池電量計、效率高但體積小的高頻DC/DC內核電源、驅動(dòng)相機閃光燈白光LED的高性能DC/DC升壓驅動(dòng)器、帶OLED電源的白光LED背光驅動(dòng)器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比(PSRR)的線(xiàn)性穩壓器等。在進(jìn)行大部分集成時(shí)，首先要集成消費者喜歡的一些已有特性，而具有更高性能和效率的領(lǐng)先模擬半導體技術(shù)，包括經(jīng)過(guò)優(yōu)化的分立電源管理器件等，將隨付運量的增加及功能的標準化而逐漸被越來(lái)越多地集成。
圖3：驅動(dòng)高亮度相機閃光燈LED的高效率升壓DC/DC轉換器。
為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并盡量延長(cháng)電池工作時(shí)間，必須考慮以下三個(gè)重要方面的問(wèn)題。首先，電池管理必須能處理電池充電及電量測量。其次，電源轉換必須盡可能高效地將電池功率轉換為系統元件可用的功率。第三，用于分析處理器的實(shí)際電源消耗并控制多個(gè)電源的系統電源管理，必須對電池的使用進(jìn)行優(yōu)化。前兩個(gè)問(wèn)題可通過(guò)選擇合適的電源管理器件來(lái)專(zhuān)門(mén)解決，而第三個(gè)問(wèn)題則與主要處理軟件的開(kāi)發(fā)有關(guān)。
在電池管理中，電池“電量計”正變得日益流行。傳統上，電池電量通常用以下方法來(lái)測量：先測量鋰離子電池的電壓，然后利用存儲在存儲器中的電量查找表，查出可用的電池電量。該方法基于特定鋰離子電池的電壓-電量查找表，但由于3G手機的電源消耗特性很復雜，并且鋰離子電池的性能隨時(shí)間、溫度及負載條件而變化，所以這種方法并不可行。為精確測量剩余的電池電量以便讓處理器更好地管理手機的電源消耗，人們采用具有“阻抗跟蹤”能力、可測量進(jìn)出電池的實(shí)際電荷的高性能庫侖計，這將使處理器可有效地運行在電池節省模式、精確地計算出電池耗盡的時(shí)間，并在需要充電的時(shí)候向終端用戶(hù)發(fā)出警告等。圖2顯示的庫倫計被集成在電池組中，并通過(guò)I2C通信接口向主處理器發(fā)送電池參數。
在電源轉換領(lǐng)域，DC/DC轉換器在為L(cháng)ED驅動(dòng)與處理器內核電源提供高效率的供電解決方案上扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。為提高數碼照像與視頻會(huì )議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。隨著(zhù)傳感器的分辨率不斷提高，要拍出高質(zhì)量照片就需要更亮的光，這又將需要相機閃光燈更亮的解決方案。當照相手機的分辨率大于100萬(wàn)像素時(shí)，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高質(zhì)量照片。而目前許多手機所能提供的閃光燈亮度都比這低，其閃光燈白光LED的驅動(dòng)電流還不到100mA，這種設計實(shí)際上并不能改善照片質(zhì)量。為真正地改善照片質(zhì)量，需要用將近1A的電流驅動(dòng)高功率白光LED，而使用電荷泵是難以提供1A的電流，因為此時(shí)的電池電流將達到2A，將超出系統為此類(lèi)功能預留的任何電池功率預算。為解決電池電流過(guò)大的問(wèn)題，圖3給出的高效率DC/DC升壓轉換器，可為相機閃光燈應用的白光LED提供高達700mA的電流。
圖4：小型封裝的高頻3MHz DC/DC轉換器。
手機中的幾個(gè)子系統可能還需要精確的內核電壓。線(xiàn)性穩壓器通常被認為是一種用于電壓調整的小尺寸、低成本解決方案，但當電流大于200mA時(shí)，由于電源損耗過(guò)高，它們將開(kāi)始需要既占空間又價(jià)格昂貴的散熱片。電源損耗的產(chǎn)生是由于供電時(shí)存在較大的輸入-輸出電壓差，此電壓差與輸出電流的乘積便等于電源損耗，例如，從3.6V鋰離子電池上得到1.2V/500mA內核電壓。當線(xiàn)性穩壓器以33%的效率進(jìn)行穩壓，并消耗大量電池功率、產(chǎn)生大量熱量的時(shí)候，DC/DC轉換器卻能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。
采用最先進(jìn)的模擬工藝與設計技術(shù)的最新一代DC/DC轉換器具有幾個(gè)可節省空間的特性。圖4是一種可提供高達500mA內核電流的超小型、高精度DC/DC降壓轉換器。因為集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，所以該電路僅需一個(gè)電感和兩個(gè)小電容。獨特的控制架構可使電源對負載瞬變做出快速反應，并保持±1(的高電壓調整精度(這正是如今高性能處理內核所要求的)。3MHz的開(kāi)關(guān)頻率可使電感大小減少至僅為1uH，從而允許使用高度小于1mm的薄型芯片電感。這種器件還提供芯片級封裝，IC尺寸可減小至2×1mm，因此整個(gè)解決方案可被構建成安裝在5×5mm2大小的空間里。為進(jìn)一步減少電源消耗，高級DC/DC穩壓器還具有自動(dòng)的脈沖頻率調制(PFM)/脈寬調制(PWM)模式轉換功能，以盡量提高寬負載范圍內的轉換效率。在輕負載情況下，轉換器工作于PFM模式，而當負載電流大于50mA時(shí)，則采用PWM控制，這樣便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的內核電源。
本文小結
電源與其它模擬器件的集成是不可避免的，其關(guān)鍵在于選擇那些已發(fā)展成為標準并被多種手機平臺采用的功能。推動(dòng)功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先應用在可進(jìn)行特性定制的分立元件中，這對消費者及手機系列型號管理非常重要?？傊?，電源管理器件正繼續在尺寸、效率及電源消耗方面挑戰自身極限，并在減小手機的外形尺寸與重量方面扮演重要角色。
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